機械手夾持器設計,機械手夾持器設計,機械手,夾持,設計
中原工學院畢業(yè)設計論文
摘 要
這次畢業(yè)設計我選的題目是機械手夾持器設計，本課題是針對流水線自動化生產而設計的機械夾持器。本課題包括機械夾持器總體設計、計算；液壓傳動系統(tǒng)的設計與計算、部件和零件設計。機械手與機器人的聯(lián)系非常密切，機械手的應用和發(fā)展，大大促進了智能機器人的研制。同時，機械手是一門應用很廣的學科，它幾乎在各個部門和學科都有應用，尤其在機械工業(yè)和鐵路工業(yè)中。
我所設計的夾持器基本要求如下：
（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。
設計參數(shù)及要求如下：
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質為5kg，材質為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。由液壓缸提供動力
關鍵詞：機械手，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機械手的概述 3
1.2 機械手在生產中的應用 4
1.3機械手的應用意義 6
第二章 手部設計. 7
2.1夾緊力計算 7
2.2驅動力力計算 8
2.3液壓缸驅動力計算 8
2.4楔塊等尺寸的確定 9
2.5斜楔的傳動效率 10
2.6斜楔驅動行程與手指開閉范圍 10
第三章 腕部設計 13
3.1腕部回轉力矩的計算 13
3.2回轉液壓缸所驅動力矩計算 14
3.3回轉缸內徑D計算 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 伸縮臂設計 18
4.1方案設計 18
4.2伸縮臂機構結構設計 18
4.2.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算 18
4.3.2導向桿機構設計 23
第五章 驅動系統(tǒng) 26
5.1驅動系統(tǒng)設計方案 26
5.3液壓系統(tǒng)圖 27
第六章 設計總結 30
參考文獻 31
第一章 前言
1.1機械手的概述
機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。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?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時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或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。
機械手通常常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。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。機械手的機械結構采用滾珠絲桿、滑桿、等機械器件組成；電氣方面有交流電機、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，位置控制技術、檢測技術等，是機電一體化的典型代表儀器之一。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。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，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。
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進一步發(fā)展,自動化已經成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產流水線等等，已經隨處可見。同時，現(xiàn)代生產中，存在著各種各樣的生產環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產環(huán)境不利于人工進行操作。
工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新的技術，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產自動化實踐相結合的產物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產過程自動化、改善勞動條件、提高產品質量和生產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合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內 容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工藝等，因此它是一項 綜合性較強的新技術。目前國內外對發(fā)展這一新技術都很重視，幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應用領域 也在不斷地擴大。
早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關節(jié)式的第一代機械手。
50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。
60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術進入了應用階段。
80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。
90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應用外，農、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務業(yè)、軍事領域上有較大的應用。
90年代以后，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機械手技術也得到飛速的多元化發(fā)展。
總之，目前機械手的主要經歷分為三代：
第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(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 機械手在生產中的應用
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產； 金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機 械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產品種的中、小批量自動化生產，廣泛應用于柔性自動線。國內外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應用于以下幾方面：
1.熱加工方面的應用
熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。
2.冷加工方面的應用
冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯(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)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動 缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內噴漆通用機械手，可用以對客車內部進行連續(xù)噴漆，以 改善勞動條件，提高噴漆的質量和效率。
近些年，隨著計算機技術、電子技術以及傳感技術等在機械手中越來越多的應用，工業(yè)機械手已經成為工業(yè)生產中提高勞動生產率的重要因素。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大等特點，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，例如：
(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。
(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
(3)可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。
(4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。
(5)宇宙及海洋的開發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學方面的研究和試驗。
1.3機械手的應用意義
在機械工業(yè)中，機械手的應用意義可以概括如下：
1.可以提高生產過程的自動化程度,應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。
2.可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，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地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復作業(yè)的操作中，以機械手 代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產
應用機械手代替人手進行工作，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)地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產。
第二章 手部設計.
2.1夾緊力計算
手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按下列公式計算：
2-1
式中：
—安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,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， 計算最大加速度，得出工作情況
系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的
絕對值（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驅動力力計算
根據(jù)驅動力和夾緊力之間的關系式：
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，得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，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液壓缸驅動力計算
設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅動壓力，
,已知液壓缸驅動力，且
由于，故選工作壓力P=1MPa
據(jù)公式計算可得液壓缸內徑：
根據(jù)液壓設計手冊,見下表，圓整后取D=32mm。
液壓缸的內徑系列（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.
缸筒長度 L≤(20～30)D 取L為123mm
活塞行程，當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。
液壓缸流量計算：
放松時流量
夾緊時流量
2.4楔塊等尺寸的確定
楔塊進入杠桿手指時的力分析如下：
—斜楔角，＜時有增力作用；
—滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉軸間摩擦系數(shù);
—支點至斜面垂線與杠桿的夾角；
—杠桿驅動端桿長；
—杠桿夾緊端桿長；
—杠桿傳動機械效率
2.5斜楔的傳動效率
斜楔的傳動效率可由下式表示：
杠桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。
2.6斜楔驅動行程與手指開閉范圍
當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅動行程為L，此時對應的杠桿手指由位置轉到位置，其驅動行程可用下式表示：
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，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖關系：
可知：楔塊下邊為60mm，支點O距中心線30mm，且有，解得：
2.7 確定
為沿斜面對稱中心線方向的驅動行程，有下圖中關系
，取，則楔塊上邊長為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
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個
以上材料均為鋼，無淬火和表面處理
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，旋合長度為10mm。
第三章 腕部設計
手腕部件設置在手部和臂部之間，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，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的回轉運動。
3.1腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，需要克服的阻力有：
（1）腕部回轉支承處的摩擦力矩
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)，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。
為簡化計算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重量。
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軸線的垂直距離，已知e=10mm.
則
（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)手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算：
式中 —工件對手腕回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉過程的角速度；
—啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。
手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算：
,取98N.
等效圓柱體的轉動慣量：
工件的轉動慣量，已知圓柱體工件，
要求工件在0.5s內旋轉90度, 取平均角速度，即=，
代入得：
解可得： =0.8083
3.2回轉液壓缸所驅動力矩計算
回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩
如下圖，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，達到手腕回轉的目的。
上圖為回轉液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅動力矩。
或
式中 ——手腕回轉時的總的阻力矩
——回轉液壓缸的工作壓力（Pa）
——缸體內孔半徑（m）
——輸出軸半徑（m），設計時按選取
——動片寬度（m）
上述動力距與壓力的關系是設定為低壓腔背壓力等于零。
3.3回轉缸內徑D計算
由 ，得：
，
為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用：
綜合考慮，取值計算如下：
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：
，當量動載荷，載荷系數(shù)取1，，則，由公式：
N為轉速，由0.5s完成回轉，計算得：，，球軸承
代入得：
，遠大于軸承額定壽命。
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缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
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。
選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。
右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個動片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用2個。
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 伸縮臂設計
4.1方案設計
采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調速閥進行回油節(jié)流調速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導向桿導向防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。
4.2伸縮臂機構結構設計
4.2.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算
4.2.1.1工作負載R
液壓缸的工作負載R是指工作機構在滿負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產生的總阻力，即：
式中：-工作機構的荷重及自重對液壓缸產生的作用力；
-工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力；
-工作機構滿載啟動時的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質量 15kg(估計)
③伸縮臂的質量 50kg(估計)
④其他部件的質量 15kg(估計)
工作機構荷重： 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：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實際負載為 =1200
4.2.1.2液壓缸缸筒內徑D的確定
D=
式中：R=1000 <5000 , p可取0.8～, =
取液壓缸缸筒內徑為40mm。
4.2.1.3活塞桿設計參數(shù)及校核
(1)活塞桿材料：選擇45號調質鋼，其抗拉強度=570
(2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設計手冊》得，當壓力小于10Mpa時，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。
最小導向長度：mm
(3)活塞桿強度及壓桿穩(wěn)定性的計算
采用非等截面計算法
① 油缸穩(wěn)定性的計算
因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。
假設油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P
收藏