電動機(jī)座加工自動線卸料機(jī)械手設(shè)計【液壓驅(qū)動 二自由度圓柱坐標(biāo)式】【4張CAD圖紙+PDF圖】
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畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）
題 目 電動機(jī)座加工自動線卸料機(jī)械手設(shè)計
姓 名： 馮 應(yīng) 輝
學(xué) 號： 0515011211
所在系部： 機(jī)械工程系
專業(yè)班級： 05機(jī)制（2）班
指導(dǎo)老師： 雷 紹 祿
日 期： 2009年6月1日
目錄
摘要.............................................................................................................................2
ABSTRACT...............................................................................................................3
目錄............................................................................................................................4
1 緒論............................... ..... ................................................................................................... 6
1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀 .........................................................................................................6
1.2 本課題研究目的及意義.........................................................................................................8
1.3 本課題的研究內(nèi)容.................................................................................................................9
2 機(jī)械手的總體計....................................................................................................9
2.1 總體方案的比較與選定........................................................................................................9
2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較.............................................................................................9
2.1.2選定的兩個機(jī)械手方案的概述及比較...............................................................................12
2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述........................................................................................16
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu).............................................................................................................................17
2.2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu).............................................................................................................................17
2.2.3 控制系統(tǒng).............................................................................................................................18
2.3 機(jī)械手的主要參數(shù)................................................................................................................19
2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù).....................................................................................................19
2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù).....................................................................................................19
3 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計 ......................................................................................20
3.1 手部的設(shè)計............................................................................................................................20
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計.................................................................................................................20
3.1.2 手部的計算與分析.............................................................................................................21
3.2 臂部........................................................................................................................................25
3.2.1 手臂不自鎖條件................................................................................................................ 26
3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計.........................................................................................................26
3.2.3 大手臂相關(guān)參數(shù)計算.........................................................................................................27
3.2.4 手臂伸縮缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...............................................................................................35
3.2.5 手臂伸縮缸的設(shè)計計算.....................................................................................................35
4 機(jī)械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計...........................................................................42
4.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng)................................................................................................42
4.2 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定....................................................................................................42
4.2.1 各液壓缸的換向回路.........................................................................................................42
4.2.2 調(diào)速方案.............................................................................................................................43
4.2.3 減速緩沖回路.....................................................................................................................44
4.2.4 調(diào)壓回路.............................................................................................................................45
4.2.5液壓系統(tǒng)的合成與完善.......................................................................................................46
5 機(jī)械手的PLC控制設(shè)計........................................................................................48
5.1 運動控制方式的選擇............................................................................................................48
5.2 輸入輸出觸點的分配............................................................................................................49
5.2.1 行程開關(guān)的分配.................................................................................................................49
5.2.2 手動按鈕分配.....................................................................................................................50
5.3 外部接線圖............................................................................................................................50
5.4 控制面板設(shè)計........................................................................................................................51
5.5 卸料機(jī)械手電氣控制圖........................................................................................................52
5.6 電氣系統(tǒng)工作流程圖原理....................................................................................................54
致 謝...........................................................................................................................57
參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................59
1 緒論
機(jī)械手，英文名mechanical hand，是指能模仿人手和臂的某些動作和功能，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。
工業(yè)機(jī)械手即在工業(yè)生產(chǎn)中所使用的機(jī)械手，是一種可編程序的自動機(jī)械手。它是在五十年代末出現(xiàn)，近年來迅速發(fā)展起來的重要的自動化裝置，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。目前，在各個生產(chǎn)領(lǐng)域，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，都采用了各種不同形式，不同功能的機(jī)械手。由于機(jī)械手的出現(xiàn)，在許多生產(chǎn)工藝中都代替了人工，使工業(yè)自動化有了較大發(fā)展，這不僅大大的提高了勞動生產(chǎn)率，改善了勞動條件，減輕了工人勞動強(qiáng)度，而且使成批生產(chǎn)有了質(zhì)量技術(shù)保證，就因為如此，機(jī)械手的設(shè)計開發(fā)成了目前工業(yè)技術(shù)的重要課題。
1.1 研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用于機(jī)加工，鍛壓，鑄造，沖壓，焊接，裝配，噴漆，熱處理等各個行業(yè)，特別是在笨重，高溫有毒，放射性，多粉塵等惡劣危險的勞動環(huán)境中，機(jī)械手由于有顯著的優(yōu)點而備受重視。以下是機(jī)械手在工業(yè)中的幾種典型應(yīng)用：
1．旋轉(zhuǎn)體零件生產(chǎn)流水線自動化方面
采用機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)體零件（如軸類、盤類、環(huán)類等）生產(chǎn)流水線上的機(jī)床之間傳送工件能夠提高生產(chǎn)線的自動化。國內(nèi)已建成的這類自動線很多，如沈陽泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號和5號電動機(jī)軸加工自動線（軸類），上海拖拉機(jī)齒輪廠的齒坯加工自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動力機(jī)廠的汽缸蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。
2．在實現(xiàn)單機(jī)自動化方面
1）各類半自動車床，有自動夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料。裝上機(jī)械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用最多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機(jī)械手，大連第二機(jī)床廠的自動循環(huán)
液壓仿形車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類機(jī)床產(chǎn)品出廠時就附上機(jī)械手，或為用戶自行安裝機(jī)械手提供條件。
2）注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機(jī)械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。
3）沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機(jī)械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t沖床磁力起動器殼體下料機(jī)械手和天津拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等;一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺多工位沖床）和天津二輕局技術(shù)研究所制作的12t和40t多工位沖床機(jī)械手等。
3.在鑄、鍛、焊等熱處理方面
在鍛造方面，機(jī)械手一般用做加熱爐，鍛壓機(jī)床或沖床的上下料和工件的傳送，其中包括多工位沖床的中間傳送。如：天津第二鍛造廠研究了JS01通用機(jī)械手用于精鍛機(jī)上下料。
在鑄造方面，機(jī)械手應(yīng)用較多的是在熔模鑄造中，也用于澆鑄，造型，制芯及清理工作。美國Dochlcn-jarvis工廠是使用工業(yè)機(jī)械手最多的，約12萬臺，主要用于從壓型中取出鑄件，然后用噴氣法清洗鑄件表面，該廠使用機(jī)械手后鑄件質(zhì)量得到了很大提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
在焊接方面，焊接機(jī)械手也是應(yīng)用較多的，這種機(jī)械手可分為點焊接機(jī)械手和弧焊接機(jī)械手。對于點焊接機(jī)械手，其手臂能伸縮，俯仰，回轉(zhuǎn)，手腕能擺動，回轉(zhuǎn)，俯仰。至于弧焊接機(jī)械手，它的焊炬能作復(fù)雜三維曲線運動以調(diào)節(jié)焊接范圍。
4．在裝配方面
工業(yè)機(jī)械手在裝配中的應(yīng)用，是近幾年國內(nèi)外研究和發(fā)展的一個重要方面，特別是在汽車制造業(yè)的汽車裝配自動化和彈藥裝配等危險作業(yè)上有很大的使用價值。目前裝配機(jī)械手正由串聯(lián)結(jié)構(gòu)向并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。
1.2 本課題研究目的及意義：
工業(yè)機(jī)械手具有許多人類無法比擬的優(yōu)點，滿足了社會化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點如下：
1.能代替人從事危險、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。
2.能長時間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長時間的單調(diào)重復(fù)勞動。
3.動作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可避免人為的操作錯誤。
4.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。
5.機(jī)械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。
由于機(jī)械手在工業(yè)自動化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過還屬于起步階段，就顯示出了許多的無法替代的優(yōu)點，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來，機(jī)械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。
成品電動機(jī)機(jī)體形狀很復(fù)雜，從毛胚到成品需要完成很多道加工工序，各道工序及工序之間都要實現(xiàn)機(jī)體的移位及定位，這些工序如果全靠人工完成將大大增加工人的勞動強(qiáng)度，不僅使加工質(zhì)量難以得到保證還增加了勞動的危險性。本課題的研究是為了設(shè)計出一種電動機(jī)機(jī)體加工自動線上用的輔助機(jī)械手，該機(jī)械手在機(jī)體加工自動線能完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強(qiáng)度。
1.3 本課題的研究內(nèi)容 ：
本次設(shè)計的多功能機(jī)械手用于電動機(jī)座加工自動線上，主要由手爪、小臂、大臂等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。本機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，自動線圍繞機(jī)體布置，具有大手臂旋轉(zhuǎn)、小手臂伸縮、手指伸縮共2個自由度。其中大手臂旋轉(zhuǎn)是為了將工件從自動線轉(zhuǎn)移到卸料工位上，小臂升降手指伸縮是重復(fù)自由度，目的是擴(kuò)大升降范圍，避免小手臂頻繁升降；驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，且選用雙聯(lián)葉片泵，系統(tǒng)壓力為2.5MPa，電機(jī)功率為3KW，共有推動大臂旋轉(zhuǎn)油缸、小臂升降油缸、、手爪夾緊油缸共3個液壓缸；定位采用機(jī)械擋塊定位，定位精度為0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。
本機(jī)械手裝置應(yīng)具備如下功能；
1. 具有友好的人機(jī)界面，以保證人機(jī)通訊、人機(jī)互助和人機(jī)協(xié)同工作。
2.能夠自動完成系統(tǒng)所要求的動作，具有連續(xù)工作、單周期工作、單步工作、自動返回原點、手動返回原點、手動操作等功能。
3.在保證精度的前提下，有一定的容錯性。
4.能夠依次對柴油機(jī)機(jī)體完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)等輔助加工功能。
5.在保證完成以上功能的前提下具有一定的通用性，使該機(jī)械手在整個柴油機(jī)機(jī)體加工自動線都具有一定的適應(yīng)性。
2 機(jī)械手的總體設(shè)計
2.1 總體方案的比較與選定
2.1.1 各種坐標(biāo)形式機(jī)械手的比較
按坐標(biāo)形式分，機(jī)械手主要有以下四種不同的類型：
1. 直角坐標(biāo)式
2. 圓柱坐標(biāo)式
3. 球坐標(biāo)式
4. 平面多關(guān)節(jié)式
根據(jù)設(shè)計要求，本課題設(shè)計的機(jī)械手需要在電動機(jī)座加工自動線卸料，包括上料，升降，轉(zhuǎn)位，等多種功能。結(jié)合設(shè)計要求對各種坐標(biāo)形式的機(jī)械手的優(yōu)缺點作出評析，
如下：
1. 直角坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.1）。這種機(jī)械手所有的送放運動均為直線運動，結(jié)構(gòu)簡單，直觀性好，便于實現(xiàn)一定的精度要求，但本機(jī)械手需要在多個工位上完成輔助加工功能，故在相同的動作范圍內(nèi)其所需要的空間位置大，靈活性差，同時由于手爪部分移動，不利于電液集中配置。
圖2.1 直線坐標(biāo)式機(jī)械手
2. 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.2）。這是一種回轉(zhuǎn)型機(jī)械手，其手臂除了可以伸縮，可以升降外，還可以繞立柱回轉(zhuǎn)。這種機(jī)械手與直角坐標(biāo)式機(jī)械手相比，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)亦比較簡單，并能達(dá)到較高的定位精度。但是，它的手臂的升降受到機(jī)械手結(jié)構(gòu)的限制，距離地面總有一定的距離，不能從地面抓取物件，因此不能完成上料的工序。
圖2-2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
1— 手部 2—腕部 3—臂部
3. 球坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.3）。這種機(jī)械手與圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手相比，在占有同樣大小的空間情況下，可以擴(kuò)大工作范圍，能將手臂伸向地面抓取物件。其缺點是運動的直觀性差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且臂部有兩個回轉(zhuǎn)運動，位置精度誤差較大。
圖2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手
4. 4.多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手（如圖2.4）。這種機(jī)械手可以在以臂部最大伸展長度為半徑的球體空間范圍內(nèi)任意抓取物件，靈活性大。它與其他坐標(biāo)形式的機(jī)械手相比，所占空間最小。但其運動直觀性差，臂部前端的位置由多個回轉(zhuǎn)運動決定，要達(dá)到較高的運動精
度比較困難，為此必須提高制造精度，因而使設(shè)計和制造均較為復(fù)雜。
圖2.4 多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式機(jī)械手
2.1.2選定的兩個機(jī)械手方案的概述及比較
2.1.2.1兩種方案概述
根據(jù)本課題的設(shè)計要求，該機(jī)械手能夠完成上料、升降、轉(zhuǎn)位工件等多種功能，所以，在這里設(shè)計了四個機(jī)械手將要到達(dá)并完成輔助加工的工位，依次是：上料工位、升降工位、轉(zhuǎn)位工位、再次轉(zhuǎn)位工位（見圖2.6和2.7）。機(jī)械手在一個周期內(nèi)的動作過程如下：
一．上料。機(jī)械手在運動開始前面向第一工位。開始工作后，機(jī)械手的小手臂的升降缸將手部5下降到取料位置，手部上的定位壓盤正卡在工件已加工完的上端止口及其端面上，同時，手指伸縮油缸1的活塞桿下端連接著帶圓錐面得推動桿6，使內(nèi)撐式手部的三個手指伸入到工件內(nèi)的空槽中。
二．完成以上動作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第二工位，將工件升起，小手臂2的油缸上升，將工件提起到預(yù)定的高度。
三．接下來，大手臂回轉(zhuǎn)90度（當(dāng)前輸送帶前進(jìn)到終點發(fā)信）。
四．然后小手臂下降到工件準(zhǔn)確地放到轉(zhuǎn)載裝置前輸送帶的適當(dāng)位置上。
完成一個周期的動作后，機(jī)械手轉(zhuǎn)向第一工位，處于“回到原點”狀態(tài)。這時，第一工位的專機(jī)已經(jīng)完成加工處于“等候上料”狀態(tài)，機(jī)械手在第一工位再次完成上料后轉(zhuǎn)向第二工位，這時，在第一工位加工完畢的機(jī)體已經(jīng)順著自動線傳至第二工位，機(jī)械手將其轉(zhuǎn)位使其完成第二工位的加工。在連續(xù)工作狀態(tài)中機(jī)械手的動作過程如上所述依次循環(huán)。
總結(jié)上述各種形式的機(jī)械手，在滿足設(shè)計要求的前提下設(shè)計出以下兩種方案。
方案一：外形圖及運動簡圖如下
圖2.5 方案一外形圖
圖2.6 方案一運動簡圖
這是一種屈伸型機(jī)械手，該機(jī)械手具有與人體上肢相類似的結(jié)構(gòu)。臂部由大臂和小臂兩個部分組成。除了大臂本身具有回轉(zhuǎn)和俯仰運動外，小臂相對于大臂也可以俯仰，通過大臂和小臂的俯仰來實現(xiàn)手臂的伸縮，通過機(jī)身的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)使手臂面向不同的工位。該機(jī)械手有E1-E5（見圖2.6）共5個自由度，其中：
E1：機(jī)身繞機(jī)座回轉(zhuǎn)
E2：大臂的俯仰
E3：小臂的俯仰
E4：手腕的俯仰
E5：手腕的回轉(zhuǎn)
這種機(jī)械手采用直線式流水線，待加工的柴油機(jī)機(jī)體從流水線上依次流到A,B,C,D四個工位，機(jī)械手通過機(jī)身的回轉(zhuǎn)依次停在四個工位，分別完成上料、轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、再次轉(zhuǎn)位四個輔助加工動作。通過大臂、小臂和手腕的俯仰使機(jī)械手到達(dá)四個工位點，通過手腕的俯仰和翻轉(zhuǎn)使手爪能夠有正確的夾持姿態(tài)。
方案二：外形圖及運動簡圖如下
圖2.8 方案二外形圖
圖2.9 方案二運動簡圖
這是一種圓柱坐標(biāo)坐標(biāo)式機(jī)械手。該機(jī)械手由機(jī)座、機(jī)身（即立柱）、大臂、小臂、手腕和手爪組成。有E1-E3共2自由度（立柱升降自由度E2和小臂升降自由度E3是重復(fù)自由度），其中：
E1:大手臂回轉(zhuǎn)
E2:手指伸縮
E3:小手臂升降
該機(jī)械手的工作流程圖如下：
圖2.10 方案二的工作流程圖
該機(jī)械手由直動式液壓缸推動齒條式活塞桿通過齒條與套在機(jī)座上的齒圈的嚙合來驅(qū)動大手臂回轉(zhuǎn)；由直動式液壓缸推動小臂升降；由直動式液壓缸推動手指夾緊，彈簧自動復(fù)位。
在工作中，自動流水線環(huán)繞機(jī)座兩旁布置， 機(jī)械手在一個工位完成輔助加工后，縮回手臂，大手臂依次回轉(zhuǎn)到下一工位，伸出手臂完成相應(yīng)的功能。
2.1.2.2 兩種方案的比較
兩種方案通過流水線的不同布置都能使手爪到達(dá)指定的工位并且都能夠?qū)崿F(xiàn)所要求的功能，手爪都具有足夠的自由度，能從正確的方位夾持電動機(jī)座體。兩種方案都具有電液集中，占地面積小，可以從地面上抓取工件的優(yōu)點。所不同的是：方案一通過腰部的回轉(zhuǎn)、大臂的俯仰及小臂的俯仰來使手爪到達(dá)正確的工位，而方案二是通過大手臂回轉(zhuǎn)、小手臂的升降和手指伸縮來使手爪到達(dá)正確的工位。
但是，方案一運動直觀性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。首先，其臂部位置由多個回轉(zhuǎn)運動決定，手臂在俯仰時其底部回轉(zhuǎn)角度的誤差容易在手臂端部造成誤差擴(kuò)大，通過大臂、小臂、手腕的回轉(zhuǎn)誤差累積，最終容易使手爪位置與指定位置有較大偏差。其次，越靠近機(jī)身的俯仰運動所需要的驅(qū)動力越大，使整個系統(tǒng)各液壓缸工作壓力相差很大，不易配置液壓驅(qū)動系統(tǒng)且回轉(zhuǎn)缸出力不大。再次，方案一的手臂有多種屈伸狀態(tài)，則需要很多的定位裝置，而回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)空間狹小，不宜布置過多的機(jī)械擋塊。如果改采用連續(xù)軌跡控制的機(jī)械手，成本太高。所以在第二種方案中齒條嚙合安裝在手臂上的齒輪來推動手臂回轉(zhuǎn)，在齒條式活塞桿的端部安裝凸塊，在活塞桿的行程上安裝控制緩沖和停止的開關(guān)，由凸塊在運動過程壓合行程開關(guān)來實現(xiàn)對回轉(zhuǎn)的控制。
綜上所述，本課題采用第二種方案
2.2 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述
本課題所設(shè)計的是一種在電動機(jī)機(jī)體加工自動線上用的多功能機(jī)械手，屬于工業(yè)用機(jī)械手。同大部分工業(yè)機(jī)械手一樣，它是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，其組成示意圖如下：
圖2.11 機(jī)械手組成框圖
2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
1. 手部。即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。由于回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)簡單，為了減輕手部的重量，本設(shè)計采用回轉(zhuǎn)型。手爪多為兩指（也有多指），根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。本課題設(shè)計的多功能機(jī)械手需要抓取的是電動機(jī)座體，為了便于機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸的確定以及各部分的受力分析和計算，本文以JO2系列1～5號電動機(jī)座。由于電動機(jī)座機(jī)體內(nèi)部形狀不是很有規(guī)則，本手爪采用寬大的三指型并且在指的內(nèi)側(cè)粘貼一層橡膠以增大摩擦，就像人的手指上附有皮肉。
傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
2.臂部。臂是支承被抓物、手部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。
手臂有兩個自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。
2.2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)
有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機(jī)械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N 以下。液動式的出力大，臂力可達(dá)1000N以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在1mm范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機(jī)械式只用于動作簡單的場合。
1.各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點
工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng),按動力源分為液壓,氣動和電動三大類.根據(jù)需要也可由這三種基本類型組成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng).
（1）液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù),它具有動力大,力(或力矩)慣量比大,快速響應(yīng)高,易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點,適用于承載能力大,慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手.
（2）氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維修方便,價格低等特點,適用于中,小負(fù)載的系統(tǒng)中.但難于實現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)械手中.如在上下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多.
（3）電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量,大轉(zhuǎn)矩的交,直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動器(交流變頻器,直流脈沖調(diào)制器)的廣泛采用,這類驅(qū)動系統(tǒng)在機(jī)械手中被大量選用.
2.工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則
設(shè)計機(jī)械手時,選擇哪一類驅(qū)動系統(tǒng),要根據(jù)機(jī)械手的用途,作業(yè)要求,機(jī)械手的性能規(guī)范,控制功能,維護(hù)的復(fù)雜程度,運行的功耗,性能與價格比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮.在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上,綜合上述各因素,充分論證其合理性,可行性,經(jīng)濟(jì)性以及可靠性后進(jìn)行最終的選擇.
一般情況下機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇大致按如下原則:
（1）物料搬運(包括上下料)用有限點位控制的程序控制機(jī)械手,重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng),中等負(fù)載的可選用電動驅(qū)動系統(tǒng),輕負(fù)載的可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng).
（2)用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機(jī)械手,要求具有任意點位和軌跡控制功能,需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng).
本機(jī)械手采用PLC程序控制液壓驅(qū)動系統(tǒng)
2.2.3 控制系統(tǒng)
機(jī)械手電器控制系統(tǒng)有各種類型，除了通用機(jī)械手外，絕大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計。工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動作，
并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序，應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動等都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件的檢測機(jī)構(gòu)有較重要的作用。檢測是為進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，是操作和控制的基礎(chǔ)。通用的位置檢測元件有以下：
1.行程開關(guān) 這種開關(guān)又稱限位開關(guān)，主要用于將機(jī)械的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺刂乞?qū)動電動機(jī)的運作狀態(tài)，或控制有關(guān)電磁閥的動作，從而實現(xiàn)機(jī)械手的定位或進(jìn)行行程控制。
2.近開關(guān) 這種開關(guān)主要利用接近體與檢測線圈間的電磁感應(yīng)來檢測位置，是一種無觸點行程開關(guān)。
3.電位器 電位器的結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，可測直線和角度位移，使用方便，價格低。缺點是分辨率不高，放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定得死區(qū)，因而控制精度不高。
控制的方式有以下方式：
有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。
2.3 機(jī)械手的主要參數(shù)
2.3.1 機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)
本課題為電動機(jī)機(jī)體加工線上的輔助裝置之一，機(jī)械手在機(jī)體加工自動線上完成上料，轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能。以JO2系列1～5號電動機(jī)座為例，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1） 最大抓取重量: 35Kg
（2） 械手的自由度: 2個
（3） 坐標(biāo)型式：類似圓柱坐標(biāo)
（4） 手臂運動參數(shù)：大手臂回轉(zhuǎn)（φ） 90度
小手臂升降（Z） 400毫米
（5） 手指夾持范圍： 孔徑252毫米
（6） 定位方式： 行程擋鐵
（7） 定位精度：
（8） 驅(qū)動方式： 液壓
（9） 控制方式： 繼電線路程序控制
（10）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，定位可靠。
2.3.2 機(jī)械手的主要規(guī)格參數(shù)
工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)，是說明機(jī)械手規(guī)格的具體指標(biāo)，包括以下幾個方面：
1）自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：自由度2個，坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式。
2）定位方式：機(jī)械擋塊和行程開關(guān)。
3）驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動。
4）手臂運動參數(shù)
5) 程序編制方法：PLC。
6）控制系統(tǒng)動力：電。
7）驅(qū)動源：液壓，壓力為2.5MP，液壓泵CE-B25型齒輪泵，電動機(jī)是JO2-41-6型，功率為3kW。
8）重量：35kg。
3 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計
3.1 手部的設(shè)計
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
手部設(shè)計時應(yīng)該注意的問題：
（1） 手指需有足夠的夾緊力。
（2） 手指應(yīng)有一定的開閉角度范圍，其大小應(yīng)滿足工件尺寸變化的需要。
（3） 應(yīng)能保證工件的準(zhǔn)確定位。
（4） 結(jié)構(gòu)盡量緊湊、減輕重量，以利于臂部設(shè)計。
手部的結(jié)構(gòu)與分類：
手部就是與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)被夾持工件是圓柱刀柄時，使用夾持式手部;當(dāng)該機(jī)械手做其他用途，被夾持工件是板料時，可使用氣流負(fù)壓式吸盤。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
吸附式手部分為空氣負(fù)壓吸盤和電磁吸盤兩種?？諝庳?fù)壓吸盤對所吸附的工件的材質(zhì)不限，但要求工件表面較平整?？諝庳?fù)壓吸盤按形成負(fù)壓的方法分為擠氣式，氣流負(fù)壓噴嘴式，真空泵式。電磁吸盤結(jié)構(gòu)簡單，但僅適用吸附磁性工件，并應(yīng)注意被吸附的工件有剩余磁性的問題。電磁吸盤按結(jié)構(gòu)形式分為固定式和轉(zhuǎn)動式。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.2 手部的計算與分析
一. 夾緊力（握力）的確定 :
本設(shè)計中機(jī)械手手爪在夾持工件時，都是手指在水平位置上夾持垂直放置的工件，其夾握力分析簡圖如下圖3.2
圖3.2 夾握力分析簡圖
N=
式中，N ——夾持工件時所需要的握力；
G——工件的重量，G =35kg =350N ；
f——摩擦系數(shù)，取 f = 21.0 ；
電動機(jī)座機(jī)體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面并不平整。為了增大夾握力，可以采取以下兩種方法：一，加大手指寬度以增加手指和機(jī)體的接觸面積；二，增大手指和機(jī)體間的摩擦系數(shù)。為此本設(shè)計一方面采用較寬手指，另一方面在手指內(nèi)側(cè)粘結(jié)波濤形的橡膠墊，如圖3.1所示，故此f 處取0.21。
將上述數(shù)值代入得 N===833.33N
考慮到工件在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力，振動以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等得影響，故實際握力還應(yīng)按下式計算：
式中， η ——手部的機(jī)械效率，一般η=0.85~0.95；
K——安全系數(shù)，一般取K =1.22;
K ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：K=1+，
其中，a為抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。
若取η=0.9；按K=1.5 ，K按a=計算，K=1+，則
=833.33*2083.33N
因為這個機(jī)械手手指不是完全靠摩擦力去夾緊工件，假如這個完全是靠摩擦力的話，則每個手指需要承受的握力N=/3=2083.33/3=694.44N
二，夾緊缸驅(qū)動力的計算
圖3.3所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中P為驅(qū)動力，為握力。由圖（a）的受力分析可得
圖3.3 a
由圖3.2得知在手指頭上有一個復(fù)位彈簧，根據(jù)手指的尺寸選擇彈簧的種類，在這里我們選擇：彈簧絲直徑d=1.0 , 彈簧內(nèi)徑=10mm , 彈簧系數(shù)=13.43 N/mm
假設(shè)當(dāng)手指在推動桿的最下方的時候彈簧為自由長度，即彈簧H=41mm,由從推動桿從底部到桿上的變化距離S=11mm ,則彈簧變化長度為△x=11mm ，
=△x= 13.43*11=147.73 N
=694.44 N （見23頁計算數(shù)據(jù)）
由受力圖3.3 a可知在豎直方向的受力情況為：
= （+）*sinφ 其中sinφ==0.48
= （694.44+147.73）*0.48
= 382.64 N
因為這是其中一個手指的計算驅(qū)動力，則驅(qū)動力總和P
P=（）= * 3 = 382.64N * 3 = 1147.9 N
三，夾緊液壓缸主要尺寸得確定
1．液壓缸內(nèi)徑D D=13.1
式中，P——驅(qū)動力，即液壓缸得實際工作載荷；
——系統(tǒng)得工作壓力，=2.5Mpa =2.5N/
——機(jī)械效率，一般取=0.95
將上述數(shù)值代入得:
D=13.1=13.1= 24.83 mm25 mm
按JB826－66(GB2348-80)標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取D=45mm d=20mm（活塞桿直徑）
2. 液壓缸壁厚δ
δ =
式中，——試驗壓力，=1.3*2.5=3.25Mpa
[σ]——許用壓力，選用鑄鐵材料，[σ]=60Mpa
將已知數(shù)據(jù)代入上式得:
δ == 1.125 mm
取δ =11 mm
3.液壓缸外徑及長度l
=D+2δ=45+2*11=67mm
l(2030),由結(jié)構(gòu)需要確定，取長度l=40 mm
4.活塞桿的計算
活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強(qiáng)度的要求。對于桿長l大于直徑d的15倍（即）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。l >15 d
有總體設(shè)計可知l=40mm,d=20m，所以這里只對桿進(jìn)行強(qiáng)度的校核。
式中：
F—驅(qū)動力（N）
d—活塞桿直徑（m）
[]—材料的許用應(yīng)力（Pa） 碳鋼取[]=100—120MPa
==36.5Mpa< 120Mpa
對于軸的直徑的校核：
d≥==1.70m
所以軸的直徑d=20mm滿足要求
5.穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿L>15d時，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L<15·20=300mm
故無需穩(wěn)定性校核。
3.2 臂部
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。
臂部設(shè)計時應(yīng)注意的問題：
（1）剛度要好 手臂的截面形狀選擇要合理，常用鋼管作手臂和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。
（2）偏重力矩要小 所謂偏重力矩指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的矩。
（3）重量要輕，慣量要小 由于機(jī)械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減
少沖擊，必須有緩沖裝置。
（4）導(dǎo)向性要好 為了防止手臂在直移運動中沿運動軸線不發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，以保證手部的正確方向，必須有導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式，抓取重量和運動行程等因素來確定。
臂部的各種運動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，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(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。
有本機(jī)械手的總體設(shè)計可知該臂部分兩部分：回轉(zhuǎn)缸和伸縮缸。回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實現(xiàn)的是手臂升降。
3.2.1手臂不自鎖條件
對于懸臂式的機(jī)械手,其傳動件,導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理,使手臂的運動過程盡可能平衡,以減少對升降支承軸線的偏心力矩,特別要防止發(fā)生“卡死”現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）．為此，必須使之滿足不自鎖的條件．
Ｇ總＝Ｇ工件＋Ｇ手爪＋Ｇ手腕＋Ｇ手臂
＝（）Ｎ
偏心位置：
＝
＝m
偏重力矩：
?。推剑剑剑危甅
升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件為：
h=0.32*1.03=0.33m
即h=0.4mm故不會自鎖
3.2.2手臂回轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
大臂實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動，符合一般液壓缸的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求，其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。其為典型大臂結(jié)構(gòu)中具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的大臂結(jié)構(gòu)。直接用液壓（氣）缸驅(qū)動實現(xiàn)小臂的回轉(zhuǎn)運動，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。
圖3-6
3.2.3大手臂相關(guān)參數(shù)計算
1.由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過液壓系統(tǒng)帶到軸1來回運動，通過軸3的齒輪（齒條）帶動軸1運動，軸1運動帶動該軸上的齒輪1運動，然后帶動軸3動，完成大手臂的旋轉(zhuǎn)，達(dá)到指定的加工自動線的預(yù)定位置！旋轉(zhuǎn)地角度通過擋鐵來定位（旋轉(zhuǎn)90度）。構(gòu)成大手臂的零件由軸1，軸2和軸3；一對嚙合直齒輪和一對直向嚙合齒輪，根據(jù)設(shè)計要求大手臂最終的目的是‘完成來回90度的轉(zhuǎn)動’。在這里我們需要根據(jù)軸1運動行程S和嚙合直此輪的傳動比i共同完成。首先我們需要選擇軸和此輪。
1.1．首先選擇軸的型號
由于大手臂沒有特殊的要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼，初步估算最小軸徑：
已軸2為選擇對象，齒輪的功率P=0.5KW.轉(zhuǎn)速=6.9r/min（見后頁數(shù)據(jù)演算）取C=110，于是得
==110=45.8mm
由此可知軸2的軸徑
則選擇=50mm
同理可知=120mm
1.2．對于軸的直徑的校核：
d≥==5.05m
所以軸的直徑d=90mm滿足要求
1.3.穩(wěn)定性校核
當(dāng)活塞桿L>15d時，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。該手臂活塞桿L<15·90=1350mm
故無需穩(wěn)定性校核。
2．由圖由圖3-6可知，大手臂完成旋轉(zhuǎn)90度，通過齒輪來完成的，由上面計算可知根據(jù)要求我們已經(jīng)選擇了兩個軸，軸徑=50mm、=120mm對此我們根據(jù)數(shù)據(jù)選擇齒輪：
2.1．按照齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度初步計算齒輪參數(shù)
因為選用閉式硬齒面齒輪傳動，故先按齒面彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計
式中各參數(shù)為：
2.1.試選載荷系數(shù)=1.6 ；
2.2.計算小齒輪轉(zhuǎn)矩
T=9.55=9.55=692028
2.3.按表選擇齒寬系數(shù)為φ；
2.4.取=35,則=1.8635=65 ;
2.5.查表得齒形系數(shù)，，應(yīng)力校正系數(shù)，，
2.6.許用彎曲應(yīng)力由公式計算 ；
查表得彎曲疲勞極限==310Mpa
由Y=2.0,取安全系數(shù)=1.4.
小齒輪和大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分別是:
N=60=606.91（1630010）=
N= N/u=/1.86=1.068
查表可得彎曲疲勞壽命系數(shù)
==443Mpa
=
=
所以 ==0.00980
=
=2.94mm
3．確定傳動尺寸
3.1.計算圓周速度。
V=（其中φ為4秒轉(zhuǎn)過的角速度，有些數(shù)據(jù)參考后面的計算）
=3.14
=0.051m/s
3.2.計算載荷系數(shù)K
各系數(shù)選擇如下：
查表可得使用系數(shù)K=1.5
由V=0.051m/s可得動載系數(shù)K=1.0
查表得齒間載荷分配系數(shù)K=1.2
查圖得齒向載荷分布系數(shù)=1.05
可得
K= K K K=1.51.01.21.05=1.89
3.3.對進(jìn)行修正
m==2.94=3.11mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=4
3.4.計算中心距
a==
3.5．計算分度圓直徑。
435=140mm
465=260mm
3.6.計算齒頂圓直徑
140+22=144mm
260+22=264mm
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