毕业设计（论文）机械手夹持器机械结构设计（全套图纸）.pdf
第一章绪论第二章夹持器的结构设计第三章手腕的设计第四章液压缸的设计第五章液压控制系统设计现今，国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，生产效率较低、劳动强度很大。为了提高生产加工的工作效率，降低成本，并使生产线建设成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产需要，本文通过利用机器人技术，将装卸机械手代替人工，从而来提高劳动生产率。本机械手主要与数控加工设备组合形成生产线，实现加工过程（上料、下料、加工）的自动化与无人化。本设计充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。液压控制系统是由机械、电气、液压和微机控制等元件综合构成的工业自动化系统，是机械传动技术的一种重要形式，是机械与控制的重要结合点，经常出现在生产线和各种自动化设备中。关键词：机械手；夹持器；液压系统全套图纸加1IIAbToday,manydomesticfactoryproductionlines,CNCmachineloadingworkpiecestillmanipulatedmanuallyintensivelabor,productionefficiencyproductionprocess,reducecosts,turnproductionlineflexiblemanufacturingsystemmodernautomatedlarge-scaleproduction,manualhandlingthusimprovelaborproductivitythroughrobottechnologyimplementautomationwhichrelatedCNCmachiningequipment,handcombinedformproductionlinestakefullaccountrobotworkenvironmentprocessspecificrequirementsmeetprocessrequirements,simplifystandardized,modularcomponentscommonelementpossibleHydrauliccontrolsystemintegratedindustrialautomationsystemwhichcomposedmechanical,electrical,hydrauliccomputercontroldevicesimportantpartmechanicaltransmissionoftenusedautomatedproductionlinesequipmentsKemanipulator;gripper;hydraulicsystemIII第一章绪论论文选题背景及意义用于再现人手功能的技术装置称为机械手。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。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。国际标准化组织给出的定义：“一种自动操作控制可编程机械臂，在移动中完成各种基本操作工作的称为工业机器人”。通过计算机可编程序来执行搬运多种物件材料、工件工具、或专用零件装置的多功能机械手ma来完成各项任务综合体称为机器人，它是美国机器人工业协会（US．RIA）给出的定义。工业机器人较适合这个定义。日本机器人工业协会RA的定义：用来替代人类劳动的机械臂，通过记忆体元件和末端执行器的自动控制，使它自动移动、转动完成各种工作的总和称为工业机器人。一种可以较好的模拟人手功能的机械电子装置称为机器人，这是我国对机器人的定义。作者指出：机械手在程序固定情况下只能简单装置在自动机或自动线上使用，做一些较简单的搬运物件、抓取原件。机械手与机器人，动作程序的变化都是通过编程实现；它们主要区别是工业机器人具有独立的控制系统，共同的特征决定了它的定义，是一种多学科集于一体的自动化设备，主要由计算机信息科学、传感技术科学、控制科学、机构科学等组成。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。国内外研究现状及发展趋势工业机械手的第一次迅猛发展是在第二次世界大战，最早应用在美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，时间大约是在上世纪4年代，它是一种主从型的控制系统。1年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，研制出一种更新兴的机械手，运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。这个机械手对机械手的发展有着深远的意义，日后的不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同一年该公司和普曼公司合并成重组为万能制动公司，专门生产工业机械手。械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的重要基础。在机械手得到一定程度的发展后，从6年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业；值得一提的是日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前已成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。我国工业机械手的研究与开发起步较晚，比欧美要晚3年我国第一台机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1年）开始，我国政府大大加大了对工业机器人的重视程度，并且为此项目投入大量的资金，在众多学者及研究人员的参与下，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，其中有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。值得注意的是，这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的。与此同时，一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等等。随着机械手的发展，人们也对机械手的应用提出了更高的要求，一是重复高精度，精度是指机械手到达指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置密切相关。重复精度是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。显然，重复精度比精度更重要；二是模块化，有的公司把带有系列导向驱动装置的气动机械手称为简单的 传输技术，而把模块化拼装的气动机械手称为现代传输技术。模块化拼装的气动机械手 比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及气管的导向系统装 置，使机械手运动自如。由于模块化气动机械手的驱动部件采用了特殊设计的滚珠轴承， 使它具有高刚性、高强度及精确的导向精度。优良的定位精度也是新一代气动机械手的 一个重要特点。模块化气动机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的 功能，扩大了机械手的应用范围，是气动机械手的一个重要的发展方向；三是无给油化， 无给油化是个新提出的概念，主要是为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精 密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的 进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润 滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命 长；四是机电气一体化，机电一体化的核心思想在于发展与电子技术相结合的自适应控 制气动元件，使气动技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”，大大提高了系统的可靠性。 论文的主要工作在全面学习和了解掌握夹持机构相关知识，查阅相关参考资料的基础上对工业机器 人夹持器机构的现状有了充分而全面的了解，- 设计主要进行了腕部和夹持器的设计。 第二章夹持器的结构设计 夹持器的研究现状机器人操作机在作业时的装置为机器人夹持器工具与所需工件直接接触的过程。夹 持器的性能的好坏很大程度上影响了机器人作用和效率的发挥。一方面为了在各种复杂 的作业中，使机器人能像人一般有效地进行开展工作，就一定要有一个动作敏捷与运动 灵活的夹持器，另一方面为能提高操作中的安全、稳定性，在机器人抓取时，要求实现 稳定的夹持与操作；夹持器因在变外载情况下 。因此，在同时满足矛盾的两方面要求最大限度时，夹持器的设计才能够更合理，需要深入细致的对其进行研究。 夹持器的 主要作用是握持物体的主要部件。由于物件被握持中出现的各种不同情况，如：材料结 构、材料性能、形体大小、表面情况、份量轻重等的不一，促使夹持器的结构不能单一， 应该有多种多样的。每一种夹持器的结构和结构形态不完全一致，并且工作原理也会出 现不一样。总结起来，按照抓取和夹持的操作物件中的方式区别，夹持器可分为下面两 、仿人抓取式夹持器人手抓取物件时候都是从双边或者多边抓取，夹持器从物件外部的两侧或多侧实现 抓取，这样的指夹持器是属于模拟人手的抓取，即是仿人抓取式夹持器。 手指式、夹钳式夹持器，这两种夹持器均为仿人抓取中演变出来的夹持器。有复杂 结构的手指式夹持器，基本能实现繁杂、难度较高的动作，均为模仿人的手指关节结构， 在实现多自由度操作中运用了多个驱动器。夹钳式夹持器，都只有单一关节的手指夹持 器，不是与人手一摸一样。它用单个驱动器装置来驱动，实现张合动作中由两个或多个 手指。大多数夹钳式夹持器用在现在工业设计中，因为便于维护，而且成本低，结构简 传动机构、驱动装置与手指构成了夹钳式的夹持器。因为手指的结构与张开、闭合动作不同，可分成平移型和回转型两种夹持器。平移型夹持器在实现相对平行移动中是 传动机构带动两个手指实现开闭动作的。回转型夹持器在实现绕支点回转中是传动机构 的带动手指实现开闭动作的。前者平移型夹持器结构比较简单、适应性较强、动作较灵 活，这种多数属于自动定心机构，被广泛应用在生产中。 手指式夹持器，它有比较复杂的结构和控制系统，多数还处于科学研制阶段。它主 要完成复杂精细装配或者在微密的小空间操作时，实现繁杂的抓取动作和精密灵巧操作。 必须能够模仿人手在灵巧地抓取不同材质、形状的物体中的各个动作和关节活动要求。 对特殊的物理现象和特定的物体形状进行抓取时多数采用单边抓取。用磁吸式和气吸式夹持器来对待特殊的物理现象，利用中心塞式，涨缩环式夹持器来对待特定的物体形状。 由进排气系统、吸盘、吸盘架组成了气吸式夹持器。根据物件与吸盘作用后负压内 腔或形成真空的不同方法，气吸式夹持器可分三种：喷吸式——利用负压喷嘴抽出内腔 空气而形成负压腔；挤气式——吸盘变形后靠外力挤出内腔空气的方法使形成负压腔； 真空式——吸盘内腔在真空泵系统专门抽气后形成真空。它具有方便可靠、结构比较简 单、质量较轻等优点，因而被广泛运用于板材、纸张、塑料、薄壁零件和玻璃器皿等的 夹取工作，有良好的使用效果。 用电磁铁磁或永久磁铁来吸持物件的都叫吸式夹持器，它一般用来吸取有磁性材料 的物件，吸附中不仅不会破坏物件的表面，而且会产生较大的吸附力，所以对表面光整 要求不高的物件，或有通孔、通槽在表面的物件照样可以吸持。对不能有剩磁的物件被 吸持后通常要进行的物件退磁工序。对温度超过 以后的钢、铁等磁性材料制造的物件就会失去磁性，因而无法在高温时使用磁吸式夹持器。电磁铁夹持器和永久磁铁 夹持器均为磁吸式夹持器。 工业机器人终端是焊钳、喷枪，手部除焊接、喷涂等的专用工具外，机器人的夹持 器工作主要在医疗服务、装配、搬运等工种，当前主要研究机械夹持器的有以下几个方 、简单的机械夹持器目前使用广泛机械夹持器，因其结构比较简单、造价相对低廉，但是它只适合外形 规则的物件抓取，范围应用有限。 、系列夹持器对抓取外形变化比较大、种类比较多的夹持器主要是机械夹持器，它运用场所较为 广泛。操作过程中可依据对象的变化而选择不同的夹持器，这是它在机器人中的优点， 避免了因为抓取对象的变化要更换机器人终端设备的麻烦。但是增加了机器人腕部的负 荷和复杂的结构成为了它不足的地方。 、柔性夹持器这类夹持器没有固定不变的夹持形心的特点在操作过程中，形状变化较大的物件 需要抓取比较适合，但对精确控制或者空间位置要求较高的对象抓取就不适合了。因此 在实际装配操作应用中的局限性体现了不适合此类机器人的。 、仿人灵巧夹持器跟人手相似的机械结构特点的夹持器，在抓取物体时通过多个可独立驱动的关节的 动作来完成，做有限度的移、转动作在相应的空间里，它在进行操作同时可以调整物体 的位置。在作业操作中，小范围的调整是有利于提高机器人操作的准确性。因而，我国 尚处于研制阶段的仿人灵巧夹持器，虽然它控制系统与机械结构相对比较复杂，但是这 类夹持器有十分广阔应用前景。三指九关节灵巧手的机器人是北京航空航天大学研究所 研制出来，靠远距离驱动九个电机并通过钢丝绳的运动来完成的。它能完成精密装配工 作和复杂细微的空间操作，在抓取不同类别形状，不同类别材质的物体。专家鉴定认为，该项成果基本上达到了国际多指灵巧手研究的先进水平，国内更是具有领先科技水平。 、智能型夹持器日本机械实验室已经研制出能在没有光线中探测物体的形状，这种机器人有较强识 别能力的手指，它识别物体形状大小的能力相当于用手的触摸一般效果。同样，日本东 芝公司研制的机器人手，是一种能够非常精确的接触抓住物体，因它有一种触觉传感器 装在机器人的手指上。目前我们还不能离开人的干预、摒弃作用，在智能化机器人发展 的过程中。 总而言之，虽然在研究的机械夹持器种类较多，但技术上还有很多地方需要进一步 研究更新，使技术开发逐步趋向成熟。 夹持器的设计要求要有足够的夹持力和所需的夹持精度； 它是连接在手上，应尽可能使结构简单、紧凑、质量轻小，以减轻手臂的负荷。 设计参数所需要夹紧的工件直径为 mm。抓持速度为 ，夹持器从运输车上抓取待加工的坯料送到加工机械上及把加工好的工件送回到运输车上。工件重量约 钢。夹紧动作平稳，起动和终止无刚性冲击，由运动分析及所需夹持力得到机构各部分尺寸。 设计方案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 Kg。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 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。 手爪的作用及设计手爪的要求手爪是机械手用来抓取并握紧工件用的。它抓取工件的迅速，灵活，准确和牢靠程 度，直接影响到机械手的性能，是机械手的关键部件之一。为此，设计手爪时应满足以 下要求： 夹持范围要大，卡爪的开闭角度（卡爪张开或闭合时两个极限位置所摆动的角度）应能适应夹持较大的直径范围。 夹持精度要高，即要求工件在卡爪内定位准确，又不夹坏工件表面，一般须根据工件的形状选择相应的卡爪。如圆柱形工件多采用V形槽的卡爪来定位；对于易擦伤表 面的工件，卡爪上应镶软质垫片等。 夹持动作要迅速，灵活。手爪还要求结构简单紧凑，刚性好，自重轻，易磨损处应能更换，在手腕或手臂上 安装要方便，更换要迅速或能自动更换。 机械卡爪式：根据手爪的动作可分为回转型和平移型；根据手指的数量可分为双指和多指；根据夹持工件的方法又可分为外卡式和内涨式。 手爪的力学分析下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。 在杠杆3的作用下，销轴[ GB 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 ——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力F 一定时，α 角增大，则握力F 也随之增大，但α角过大 会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α= 30~ 40。 夹紧力计算及驱动力计算手指加在工件上的夹紧力，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变 化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： 其中a为重力方向的最大上升加速度：a 液压缸的工作压力作用在活塞上外力 液压缸工作压力（MPa 20000~30000 20~ 40 15~20 30000~ 50000 40~ 50 25~30 以上50~ 80 计算： 动力F和驱动液压缸的尺寸。 05根据公式，将已知条件代入公式（2 50100 287085 手爪夹持范围计算为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为3 mm。手抓夹持范围，手指夹持有效长度为1 mm,当手抓没有张开角的时候，如图2 ）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R tg30+40 cos30 机械手的夹持半径从40mm~104mm 10 误差分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅与机械手的定位精度有关， 而且也与手指的夹持误差大小有关。现对平移型和回转型夹持器的优缺点及定位误差进 行分析。 普通平移型夹持器普通的平移型夹持器，工件的直径的变化不影响其轴心的位置（图 ），即对于不同直径的工件其定位误差= 。但是传统的平移型夹持器通常由平行四边形机构、螺杆副直线平动机构或凸轮副直线平动机构来传动，结构复杂，重量和体积较大且精度低。 回转型夹持器机械手回转型夹持器结构简单、制造容易，因此应用广泛。但是回转型夹持器与工 件的接触点呈弧形变化，夹持误差随工件尺寸变化而变化，定位精度差。下面以两支点 回转型钳爪（图 ）夹持圆柱形工件为例，分析其定位误差。11 两支爪回转型钳爪如图 所示，设AB 长度为l ，钳口夹角为2 ，圆柱形工件半径为 R，偏转角为 23OO 随工件尺寸变化而变化，为了保证在抓取半径较小的工件时能够抓住工件，偏转角β常按被抓取工件的平均半径R arccos 25对于式（2 sinθcos sinθlcosβ 2712 的值可由下面的公式求得： 29若被抓取的工件半径R sinθlcosβ sinθlcosβ 100sin60 180cos6121 80sin60 180cos61021 252mm通过上述计算可知，当工件尺寸变化时两支点回转型钳爪有较大的定位误差。 13 第三章 手腕的设计 手腕的概述工业机器人的腕部是臂部和手部的连接部件，手部在工作过程中不仅其灵活性得到 了很好的改进，而且工作范围比之前更大一些，这些优点都是在空间上改进或者调解其 方向得到的，不容忽视的是，以上的工作是以手腕臂部的运动为基础的 手腕应具有独立的自由度，以满足机器人手部完成复杂的姿态。腕部实际所具有的自由度应根据机器人的工作性能要求来确定。在多数情况下，要确定手部的作业方位， 使手部处于空间任意方位，要求腕部能实现对空间三个坐标轴 的转动，即具有回转（θ）、俯仰（β）和摆动（φ）三个自由度，如图 当有特殊使用要求时，还可以实现小距离的横移运动。手腕的自由度越多，结构和控制越复杂。因此，在决定手腕的自由度数目时应根据机器人的作业要求。在大多数的 情况下，机器人手腕具有 个自由度就可以满足作业的要求。因为手腕是安装在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕设计时要考虑的关键 问题，希望能采用紧凑的结构，合理的自由度 腕部的典型结构工业机器人的腕部结构形式大多数都相互类似，有的采用回转缸或活塞缸直接驱动。 但有一些是通过机械传动装置，链轮链条以及同步皮带传动的。 典型的腕部结构有以下几种： 回转缸驱动的腕部结构、齿条缸驱动的腕部结构、可翻转的腕部结构、复合缸驱动的腕部结构。 14 手腕确定因为工件是从一个地点搬运到另一个地点，动作并不复杂，所以一个自由度的手腕 是一个很好选择。 15 第四章 液压缸的设计 液压缸的设计概述液压缸一般来说是标准件，但有时也需要自行设计。本节主要介绍液压缸主要尺寸 的计算及强度，刚度的验算方法。 液压缸的设计是在对所设计的液压系统进行工况分析、负载计算和确定了其工作压 力的基础上进行的。首先根据使用要求确定液压缸的类型，再按负载和运动要求确定液 压缸的主要结构尺寸，必要时需进行强度验算，最后进行结构设计。 液压缸的主要尺寸包括液压缸的内径 D、缸的长度 。主要根据液压缸的负载、活塞运动速度和行程等因素来确定上述参数。 液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力 按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。 设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表4 液压缸的公称压力（单位：MPa，GB 各类设备一般机床 一般冶金设备 农业机械， 小型工程机械 液压机，重型机 械，轧机压下， 起重运输机械 工作压力 （MPa 6363~ 16 10~ 16 20~ 32 液压缸的典型结构举例： 连在一起。活塞与缸孔的密封采用的是一对 ，由于活塞与缸孔有一定间隙，采用由尼龙 制成的耐磨环又叫支承环 分别防止油外漏和灰尘带入缸内。缸与杆端销孔与外界连接，销孔内有尼龙衬套抗磨。 16 50100 287085 4F实际 00085根据表4 mm，但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D= mm则活塞杆直径为： 活塞壁的厚度活塞厚 64所以取 活塞行程夹持器杆件运动轨迹示意图如图 所示。17 夹持器杆件运动轨迹示意图OD 顺时针旋转 45到 OB 位置，OA= OD= OAsin15966mm， 所以BE OBsin338365mm， 即手爪最大抓取直径 OBsin60=41825mm DE 41825mm同理： DE 41825mm2BE OC=60mm 所以当2 时，CD转移距离为3 mm，转角为γOP 966mmsinγ= DP DB 30966 18当顺时针旋转1 mm手爪间的最大间距为 mm所以工件直径为 105故合适。 DE ODOBcos33156mm 所以选取行程S= ，标准液压缸，经校核液压缸行程满足要求。抓取d mm的工件时： arcsin40 966 2446抓取工件前两爪处于最大距离时 arccos52612 966 18 33校核此时缸径： 63故缸径合适。 液压缸的流量夹紧器夹紧时：Q 467568mm 623449mm 液压杆行程示意图19 第五章 液压控制系统设计 油泵的选择液压泵是液压系统提供一定流量和压力的油液动力元件，它是每个液压系统不可缺 少的核心元件，合理的选择液压泵对于降低液压系统的能耗、提高系统的效率、降低噪 声、改善工作性能和保证系统的可靠工作都十分重要。 选择液压泵的原则是：根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，首先确 定液压泵的类型，然后按系统所要求的压力、流量大小确定其规格型号。
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