縫紉機針擺動機械手設(shè)計
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沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘 要
工業(yè)機械手是六十年代發(fā)展起來的一門新技術(shù)。是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。它是一種按一定程序，能自動搬運和操作的機械裝置，并且能夠代替人們的部分勞動，具有人的部分功能，而又沒有人工操作的一些弱點。
工業(yè)機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，工作程序一般是固定的，因此是專用的。工業(yè)機械手也便屬于此類，近幾年來工業(yè)機械手發(fā)展很快。本次畢業(yè)設(shè)計就是在用于對縫紉機針的拋光，在拋光自動線上用擺動機械手，這一傳送設(shè)備來代替人工的勞作。
工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。現(xiàn)在的機械手都具有了某種傳感能力，觸覺功能即是在機械手上安裝反饋控制裝置。更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，能根本上機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。從經(jīng)濟方面看，工業(yè)機械手能夠提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，提高基本裝置的載荷能力；從技術(shù)方面看，操作機的使用與小批量生產(chǎn)中增長的產(chǎn)品質(zhì)量及自動化生產(chǎn)有關(guān)。在大批生產(chǎn)中自動化程度最高，但在小批量生產(chǎn)中自動化程度次之。 綜上所述,有效地應(yīng)用機械手, 是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
關(guān)鍵詞： 機械手；液壓驅(qū)動 ；自動線 ；柔性系統(tǒng)
Abstract
The industry manipulator is a new technology developed in the sixties. It is a new technology appearing in modern automatic controlled field, and has already become an important component in the production system of modern machine-building. It is one kind according to certain procedure , the mechanical device that can be carried and operated automatically, and the part that can replace people works, have some functions of people's, and there are not some manually operated weaknesses .
The industry manipulator is generally divided into three kinds. The first kind does not need the manually operated manipulator in common use . The second kind needs to be manually operated, is called the operating machine. The third kind is a special-purpose manipulator, affiliate on the automatic lathe or the transfer machine mainly, used to solve the upper and lower material of lathe and work piece to convey. This kind of manipulator is called " Mechanical Hand " abroad, the working routine is generally regular, so it is special-purpose. The industry manipulator belongs to this kind of too, the industry manipulator has been developed quickly in recent years. This graduation project is used in the polishing to the sewing machine needle , use the swing manipulator on the polishing transfer machine, this conveyance equipment comes to replace artificial work. In the mechanical manufacturing industry abroad, the industry
The industry manipulator is used more, it is very fast to develop. Present manipulator all have a certain sensing ability , the sense of touch function is to install and feedback the control device on hand in machinery . The mainer one is combining flexible manufacturing system and flexible manufacturing unit with the manipulator, artificial operation state of the manufacture system that can be essentially mechanical. By the look of economy, the industry manipulator can boost productivity , guarantee product quality, reduce the rejection rate , the loaded ability to raise basic device ; By the look of technology, the use of the operating machine has related to the fact that it is small product quality and automation increasing are produced while producing in batches. The automatic degree is the highest in large-scale production, but take second place in the small automatic degree while producing in batches. In sum , use the manipulator effectively, it is the inexorable trend which develops mechanical industry.
Key phrase: Machine hand；The liquid presses to drive；Automatic line；Flexible system
目 錄
中文摘要………………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………………Ⅱ
緒論……………………………………………………………………………………1
1 工業(yè)機械手的簡介
1.1 什么是工業(yè)機械手……………………………………………………………2
1.2 工業(yè)機械手的發(fā)展簡史………………………………………………………2
1.3 工業(yè)機械手的應(yīng)用簡況及應(yīng)用的意義………………………………………4
2 機械手的組成和分類
2.1機械手的組成…………………………………………………………………7
2.1.1執(zhí)行機構(gòu)………………………………………………………………7
2.1.2驅(qū)動部分………………………………………………………………7
2.1.3控制部分………………………………………………………………8
2.2機械手的分類…………………………………………………………………8
2.2.1按用途分類……………………………………………………………8
2.2.2按控制型式分類………………………………………………………8
2.3機械手的參數(shù)…………………………………………………………………9
3 設(shè)計方案的擬訂
3.1 工業(yè)機械手總體設(shè)計原則……………………………………………………10
3.2 機械手總體設(shè)計目的…………………………………………………………10
3.3工藝要求………………………………………………………………………11
3.4 機械手的管路配置……………………………………………………………11
3.5電控系統(tǒng)的選擇及定位方法…………………………………………………12
4 縫紉機針擺動機械手慨況
4.1縫紉機針擺動機械手的用途…………………………………………………13
4.2規(guī)格參數(shù)………………………………………………………………………13
4.3配置及工作原理………………………………………………………………13
4.4擺動機械手的組成部分………………………………………………………14
5 手臂俯仰部分機構(gòu)的設(shè)計
5.1手臂的組成……………………………………………………………………15
5.2手臂的設(shè)計要求………………………………………………………………15
5.3 手臂擺動機構(gòu)…………………………………………………………………17
5.3.1手臂上下擺動機構(gòu)簡介………………………………………………17
5.3.2手臂上下擺動機構(gòu)及緩沖……………………………………………18
6 手臂回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計
6.1 手臂回轉(zhuǎn)部分機構(gòu)……………………………………………………………20
6.2手臂回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力矩的計算…………………………………………………20
6.3 回轉(zhuǎn)油缸螺栓直徑校核………………………………………………………22
7 機械手手腕回轉(zhuǎn)部分設(shè)計
7.1手腕的定義及作用……………………………………………………………24
7.2手腕回轉(zhuǎn)和夾持手部的機構(gòu)…………………………………………………24
7.3夾緊力的計算…………………………………………………………………25
7.4腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算…………………………………………………………26
7.5手腕部手指的設(shè)計要求………………………………………………………26
7.5.1手指的抓取機能…………………………………………………………27
7.5.2手指的握力大小…………………………………………………………27
7.5.3足夠的夾緊距離…………………………………………………………27
8 液壓系統(tǒng)的工作原理
8.1液壓系統(tǒng)………………………………………………………………………28
9 什么是自動線
9.1自動線的定義及特征…………………………………………………………30
9.2自動線的類型…………………………………………………………………30
9.3自動生產(chǎn)線中的機械手………………………………………………………30
10 機械手的可靠性及經(jīng)濟效果
10.1機械手的可靠性………………………………………………………………32
10.2經(jīng)濟效果………………………………………………………………………32
結(jié)束語
參考文獻(xiàn)
附錄
英文原文…………………………………………………………………………35
漢語翻譯…………………………………………………………………………43
V
縫紉機針擺動機械手設(shè)計
緒 論
工業(yè)機械手是一種新型的自動化操作裝置。它可以根據(jù)作業(yè)的要求，按照預(yù)先確定的程序搬運物體、裝卸零件以及操持噴槍、焊把等工具去完成一定的作業(yè)。因此它可在繁重、高溫和多粉塵等勞動條件較差的作業(yè)中，部分地代替人工操作。
工業(yè)機械手首先在機床上應(yīng)用是作為設(shè)備的一個附屬裝置，用以上下料。隨著電子技術(shù)的發(fā)展已逐步成為一個獨立的自動化裝置，并擴大應(yīng)用到鑄造、加工、焊接、組裝和噴漆等作業(yè)中。機械制造工業(yè)中笨重的體力勞動作業(yè)較多，迫切需要進(jìn)行技術(shù)改造。而機械手的研制和應(yīng)用將是改善生產(chǎn)勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的有效手段之一。也是新技術(shù)革命的主要內(nèi)容。
這次的設(shè)計便是為了更快速的作業(yè)。而在縫紉機針拋光自動線上，用機械手來代替手工拋光的操作，縫紉機針在各擺動機械手指間，根據(jù)拋光工藝過程，依次調(diào)頭、傳遞并進(jìn)行拋光作業(yè)。通過擺動機械手在拋光自動線上的擺動，手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)與夾持運動來完成縫紉機針的上下料運動，以達(dá)到拋光作業(yè)的目的。
1 工業(yè)機械手的簡介
1.1 什么是工業(yè)機械手
工業(yè)機械手是一種能按給定的程序或要求,自動地完成物件(如材料，工件，零件或工具等)傳送或操作作業(yè)的機械裝置,它能部分地代替人的手工勞動.較高級型式的機械手,還能模擬人的手臂動作,完成較復(fù)雜的作業(yè).在工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的矛盾促使采用新的技術(shù)設(shè)備，即操作機（操作工具）。機器，特別是機床的裝卸，操作過程之間工件的傳送，工件的儲存和取出，焊接，鍛造，壓制，噴漆和其它許多工藝操作過程等，這些表面看來程序不復(fù)雜，通常不需要有特別技能的工人，但卻要由人的手和手臂結(jié)合運動過程操作。
工業(yè)機械手是自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要的組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸形成一門新興的學(xué)科——機械手工程。從以濟方面看，工業(yè)機械手能夠提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率，提高基本裝置的載荷能力。從技術(shù)方面看，操作機的使用與小批量生產(chǎn)中增長的產(chǎn)品質(zhì)量及自動化生產(chǎn)有關(guān)。在大批生產(chǎn)者中自動化程度最高，在成批或小批量生產(chǎn)中自動化程度次之，例如數(shù)控機床，在輔助操作時自動化程度最差。
1.2 工業(yè)機械手的發(fā)展簡史
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立了萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatrar機械手，愿意為靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)；臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimateion-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種典型的機械手后，大力從事機械手的研究。目前，日本的機械手產(chǎn)量占世界首位。在日本使用機械手最多的是汽車行業(yè)，其次是電機、電器。工業(yè)機械手分為三代。第一代為：主要依靠人工控制，控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手設(shè)有微型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，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立地完成工作過程的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機械手（機器人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機械手會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機械手的發(fā)展和應(yīng)用問題?，F(xiàn)在專用機械手以過幾十年的發(fā)展,如今已進(jìn)入以通用機械手為標(biāo)志的時代.由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展,進(jìn)而促進(jìn)了智能機器人的研制.智能機器人涉及的知識內(nèi)容,不僅包括一般的機械,液壓,氣動等基礎(chǔ)知識,而且還應(yīng)用一些電子技術(shù),電視技術(shù),通訊技術(shù),計算技術(shù),無線電控制,仿生學(xué)和假肢工藝等,因此它是一項綜合性較強的新技術(shù).目前國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)革新都有很重視。幾十年來， 這項技術(shù)革新的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地擴大。
早在四十年代， 隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。五十~六十年代即制成了傳送和裝卸工伯的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。
一九六八~一九七0年，又相繼把通用機械手用于汽車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即使第二代機械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。七十年機械手可以說是處于技術(shù)發(fā)展階段。根據(jù)部分統(tǒng)計，機械手的大致情況如下：
目前圓柱坐標(biāo)式的較多；插銷板或凸輪程序的較多；機械式手指抓取方式的較多；存貯步數(shù)為10~49的較多；液壓驅(qū)動的較多；臂力小于30公斤的較多；手臂4個自由度的較多；作業(yè)空間為1~10米立方的較多；線速度小于1000毫米/秒的較多 ；角速度小于180度/秒的較多；定位精度小于3毫米的較多。從控制方式來看，點位控制占90%左右，而連續(xù)軌跡控制占10%左右。國外自一九七0年以來， 已召開過幾次國際機械手會議（幾乎每年召開一次）。有的國家（如日本）還成立了機器人協(xié)會。
機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的主要目的，一是解決生產(chǎn)過程自動化，二是改善勞動條件，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率和降低產(chǎn)品成本。因此要求機械手成本低，品種多樣化，零件，部件系列化，通用化，標(biāo)準(zhǔn)化，性能穩(wěn)定可靠。
(1) 降低機械手的成本
為了擴大機械手的使用范圍，必須降低機械手的成本。據(jù)統(tǒng)計，機械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。如六十年代有的機械手其電控裝置的成本占全部成本的75%，現(xiàn)在已下降到35%。
(2) 品種多樣化
為了適應(yīng)不同工作的需要，就使機械手的品種多樣化，用機械手代替更多的人的手工勞動，進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。特別是那些工作比較單一，重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動量較大的工種（如熱加工），更就注意設(shè)計和使用各種類型的機械手。
(3) 零件，部件系列化，通用化，標(biāo)準(zhǔn)化，為了加速擴大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計和制造的周期。這樣， 就要求機械手的某種零件（如手指的指型等），部件（如手部，臂間等），系列化，通用化，標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件，部件（或再相應(yīng)地增加一些其它零件，部件）進(jìn)行組合，組成所需要的機械手。當(dāng)然，這樣的機械手還應(yīng)保證組合 方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利地生新組合。
(4) 產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠
機械手重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能應(yīng)穩(wěn)定可靠?？纱耍笤O(shè)計合理，元件穩(wěn)定，制造精確。
目前，在國外廣泛應(yīng)用的“再現(xiàn)式”通用機械手，雖然一般也都具有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或在其工作之前由人，領(lǐng)動一次，而后機械手即可按領(lǐng)動的工作內(nèi)容自行正確地完成再現(xiàn)協(xié)作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機器人就是第三代了。
1.3 工業(yè)機械手的應(yīng)用簡況及應(yīng)用的意義
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但是還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)的批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工時間僅占零件生產(chǎn)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(chǎn)生的。從一些資料上可見：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所變化。
下面是在國內(nèi)機械工業(yè)應(yīng)用機械手的簡況，以及國外機械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用簡況。一：熱加工方面的應(yīng)用，機械手在鑄造、熔煉方面的應(yīng)用，國內(nèi)已研制成功壓鑄機上下料機械手，上下箱、合箱、澆注機械手，以及鑄件表面清理機械手等。有些工廠還將機械手和造型機配合組成鑄造生產(chǎn)自動線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。國外對電爐煉鋼過程中采用機械手進(jìn)行大量的研究。二：冷加工方面，冷加工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的安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。國內(nèi)機械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人勞動強度。如在軸類、螺栓、氣閥等零件的加工機床上配置了機械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機搖臂加工自動線上采用單臂、雙臂圓柱式機械手，成為聯(lián)接工序、運送工件的重要設(shè)備。并在連桿粗加工自動線上采用數(shù)控機械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動線上機床工件的裝卸、運輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。三：拆裝修方面，拆裝修是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機械手的發(fā)展。
現(xiàn)今隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機械手也越來越多地被應(yīng)用.在機械工業(yè)中,鑄,鍛,焊,鉚,沖壓,熱處理,機械加工,裝配,檢驗,噴漆,電鍍等工和都有應(yīng)用于的實例.其它部門,如輕工業(yè),建筑業(yè),國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用.
在機械工業(yè)中,應(yīng)用機械手的意義可以概括如下:
（1）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度.
應(yīng)用機械手,有利于實現(xiàn)材料的傳送,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(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本.
（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(yīng)用機械手即可部分或全部人替人安全地完成作業(yè),使勞動條件得以改善.
在一些簡單,重復(fù),特別是較笨重的操作中,以機械手人代替人手進(jìn)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,并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)
就用機械手代替人手進(jìn)行工作, 這是直接減少人力的一個側(cè)面,同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作,這是減少人力的另一個側(cè)面.因此,在自動化機床和綜合加工自動線上,目前幾乎都設(shè)有機械手,以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn).
綜上所述,有效地應(yīng)用機械手, 是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢.
2 機械手的組成、分類
2.1 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制系統(tǒng)三大部分組成。
2.1.1 執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)包括手部，腕部，臂部，立柱，和基體等構(gòu)件組成:
(1) 手部——（或稱抓取機構(gòu)）手部是夾持工件的構(gòu)件。它由手爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開動作。夾持式手爪的形式與人的手指相仿。主要起抓取和放置物件的作用。機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種，手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。
(2) 腕部——是聯(lián)接手部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰，左右擺動和回轉(zhuǎn)三個運動。特殊情況可以增加一個橫向移動。有的機械手沒有手腕動作。
(3) 臂部——是支撐手部，腕部的構(gòu)件。機械手的臂部是為取代人的手臂而研究設(shè)計的，但它卻達(dá)不到象人臂的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運動軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。
(4) 立柱——是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機械手的立柱為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移動，此種稱可移動式立柱。
2.1.2 驅(qū)動部分
驅(qū)動部分是驅(qū)動臂部，腕部，手部的動力源，常用的有液壓，氣壓，電力和機械式等四種形式。
（1） 液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸，油馬達(dá)加齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、油馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便并能在中間位置停止。缺點是需配置壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。
（2） 氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓達(dá)、氣閥等，一般采用4~6個大氣壓，個別的達(dá)到8~10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
（3） 電氣驅(qū)動采用的不多，電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單；維護(hù)、使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用同一型式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。
（4） 機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，缺點是不易于調(diào)整。
2.1.3 控制部分
控制部分是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序（程序），位置和時間（甚至速度與加速度）等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種，目前以點位控制的占98%以上。控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存貯，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進(jìn)行工作。
2.2 機械手的分類
2.2.1 按用途分類
1. 專用機械手：專用機械手是專一為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適用多種作業(yè)的需要。
2. 通用機械手：通用機械手是在專用機械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同的物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都是采用順序控制系統(tǒng)。通用機械手又分簡易型、示教型、示教再現(xiàn)型和智能機械手、操作式機械手等幾種。工業(yè)機械手便屬于通用機械手。
2.2.2 按控制型式分類
1. 點位控制型機械手：點位控制型機械手的運動軌跡是空間兩個點之間的聯(lián)接?？刂泣c數(shù)愈多，性能愈好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機械手是點位控制型。
2. 連續(xù)軌跡控制型機械手：這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它在三維空間中作極其復(fù)雜的動作，工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜?？刂品绞椒珠_關(guān)式和伺服式兩種。
2.3 機械手的參數(shù)
機械手的參數(shù)有規(guī)格參數(shù)和基本參數(shù)以及其他參數(shù)。
規(guī)格參數(shù)有：
1. 主參數(shù)：抓重（臂力）——額定抓取重量或稱額定負(fù)荷，單位為公斤。
2. 自由度數(shù)目和坐標(biāo)型式：整機、手臂及腕部共有幾個自由度。
3. 定位方式：固定機械擋塊，可調(diào)機械擋塊，行程開關(guān)，電位器及其他各種位置設(shè)定和檢測裝置；各自由度設(shè)定的位置數(shù)目或位置信息用量（多少點）；點位控制或連續(xù)軌跡控制。
4. 驅(qū)動方式：液壓、氣壓、電動和機械
基本參數(shù)有行程；速度；定位精度；程序編制方法和程序容量；受信、發(fā)信數(shù)目；控制系統(tǒng)動力。
其他參數(shù)有驅(qū)動源；手抓部分；輪廓尺寸；重量。
3 設(shè)計方案的擬定
3.1工業(yè)機械手總體設(shè)計的原則
總體設(shè)計的任務(wù)，包括進(jìn)行機械手的運動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整機結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖，總體設(shè)計之后要進(jìn)行各部件的強度，剛度，驅(qū)動力的計算。
運動設(shè)計及確定主要參數(shù)：運動設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，它包括選用機械手的運動形式和確定自由度數(shù)。通用機械手是為了滿足不同的生產(chǎn)上的要求，通常是5~6個自由度，采用作業(yè)范圍較大的園柱坐標(biāo)和求坐標(biāo)的運動形式。專用機械手一般運動簡單只要2~3個自由度就能滿足特定的工藝要求。專用機械手的運動設(shè)計應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件滿足條件的與動形式，力求合理。最少的自由度數(shù)，達(dá)到機械手機構(gòu)最簡單。機械手的運動取決于生產(chǎn)工藝，主機和料道的空間位置和工件在料道上的方位。專用機械手的運動設(shè)計要求采用多種方案進(jìn)行比較的方法，對自由度數(shù)，運動路程的長短，定位點數(shù)目等全面分析。自由度數(shù)少，運動路程短，定位點少可使用的機械手結(jié)構(gòu)簡單。運動速度低，機械手的運動易穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確。設(shè)計的具體步驟如下：
（1） 按生產(chǎn)條件和要求選定工藝操作路線。
（2） 根據(jù)工藝操作路線選擇最合適的臂部運動形式。
（3） 將機械手的運動分解為各個獨立的自由度。
（4） 畫出機械手運動簡圖，進(jìn)行方案比較。
確定主要參數(shù)：抓取重量是機械手設(shè)計的重要措施，在用機械手抓取重量就是工件的重量。通用機械手的抓取重量是在規(guī)定的運動速度下，能抓取的工件重量的最大值，它是根據(jù)通用機械手使用范圍來確定的。必要時除規(guī)定出標(biāo)準(zhǔn)運動速度的抓取重量之外，可給出。
3.2工業(yè)機械手總體設(shè)計的目的
機械手總體設(shè)計的目的是根據(jù)生產(chǎn)的具體要求進(jìn)行總體方案設(shè)計，以選擇和確定其型式，基本參數(shù)，控制方式，驅(qū)動方式和結(jié)構(gòu)形式。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本。第二代機械手設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，能把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。現(xiàn)在，都在加緊研制智能機器人也就是第三代機械手。
3.3 工藝要求
機械手是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，提高勞動生產(chǎn)率的一種有力工具。若要使用權(quán)一個生產(chǎn)過程自動化，需要對各種機械化，自動化裝置進(jìn)行綜合的動手術(shù)和經(jīng)濟分析，確定使用機械手是否合適。設(shè)計人員要熟悉工藝要求，深入實際調(diào)查研究，吸取工人的合理化建議，參加具體工藝實踐。
一般的工藝要求有:
(1) 生產(chǎn)工藝和各種機械設(shè)備由于 生產(chǎn)特點不同，對機械手提出的要求也不同。如全切機床和自動線，加熱淚盈眶爐，壓力機，鑄造生產(chǎn)線，裝焊生產(chǎn)線等機械設(shè)備對機械手的運動形式和范圍，機型，安裝位置，運動速度等提出的要求。此外，對于熱加工工藝本身的特點，例如高溫，粉塵，有害氣體及高速頻繁工作等，對機械手的設(shè)計提出了一些特殊的要求。又如在熱處理和鍛造時，機械手要深入爐內(nèi)或直接抓取高溫的工件，因此認(rèn)真考慮防熱及冷卻問題是很重要的。
(2) 輸送料裝置和儲料裝置決定了工件在上料前和下料后在空間所處的位置和狀態(tài)。而這種位置和狀態(tài)對機械手的結(jié)構(gòu)形式的確定有直接的影響。幫在制定設(shè)計方案時，必須對這些要求給予充分的注意。
(3) 工作現(xiàn)場的善對機械手的機型有直接的具體要求。
若機械手用于機床上下料，而且場地許可，可選擇地面固定式；若受場地面積限制，而且是固定程序的專用機械手，可把機械手放置在機械設(shè)備上；若需要擴大機械手運動范圍或利用一臺機械手進(jìn)行多機床管理，則可選擇地面軌道式或懸掛式。
(4) 對機械手通用性的要求
不同的生產(chǎn)特點對機械手通用性所提出的要求是不同的。在大量生產(chǎn)時，例如在組合機床自動線上，往往只需將機械手固定在一定位置進(jìn)行一種工件的上下料，這時只需專用機械手便函可滿足要求。在成批生產(chǎn)時，需要在某些設(shè)備上加工幾種類似零件，因而需要對工作順序，位置及抓取機構(gòu)有一定的可適應(yīng)能力，這時需設(shè)計簡易通用機械手來滿足這種要求；在中小批生產(chǎn)時，機械手要在一定的范圍內(nèi)適應(yīng)不同的工作要求，需要迅速而方便地變更工作程序和運動軌跡，有時甚至要進(jìn)行電視遙控或者需要機械手本身具有相適應(yīng)癥的能力，這些就需要用通用機械手來滿足這些要求。
3.4 機械手的管路布置
管路布置是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要問題，機械手常用的管路為油路，氣管，水管及電氣線路，管路布置的基本要求是：牢固，整齊，便于維修。
常用的管路布置方法為機械手常采用內(nèi)部走管，多用缸壁和活塞桿鉆孔通油，通氣。在導(dǎo)向桿中裝伸縮管通油，在立柱中鉆孔安裝回轉(zhuǎn)配油盤等。機械手的機構(gòu)形式不同內(nèi)部走路的形式各異
3.5 電控系統(tǒng)的選擇及定位方法
機械手電控系統(tǒng)有各種內(nèi)型，除專用機械手外，多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計，本次設(shè)計是專用機械手，采用的是電子程序控制。
定位方法是確定機械手各個運動機構(gòu)的起始位置和最終停止位置的方法，稱為機械手的定位方法。機械手的定位方法分為以下幾種：
1． 機械定位方式：這種方式是用固定擋扳與限位開關(guān)配給或機制動器定位。這種定位方式結(jié)構(gòu)比叫簡單，定位精度（重復(fù)定位精度）較高，用途較廣。但機械磨損較快，因此使用壽命短。
2． 數(shù)控定位方式：它是以數(shù)字代表行程，即一定的數(shù)字代表一定的行程位置。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的數(shù)值時，便達(dá)到規(guī)定的位置，其定位精度不太高。
3． 用電位計設(shè)定位置和檢測：采用這種定位方式，既可在固定的位置上進(jìn)行定位，又可通過在需要的位置上增設(shè)電位計的方法增加定位點數(shù)，可實現(xiàn)多點定位。
而本次設(shè)計的定位方式為：手臂回轉(zhuǎn)的兩端點位置（即0~180度）用死擋鐵定位；手臂俯仰的兩面三刀端點位置用活塞與端蓋相碰定位。手腕回轉(zhuǎn)的兩端點位置用動片和定片相碰定位。
4 縫紉機針擺動機械手的概況
4.1 縫紉機針擺動機械手的用途
縫紉機針擺動機械手的用途是在縫紉機針的拋光自動線上，用四臺機械手代替手工拋光的操作。
4.2 規(guī)格參數(shù)
抓針數(shù)量： 70~80只
自由度數(shù)： 3個
座標(biāo)型式： 類似球座標(biāo)
手臂回轉(zhuǎn)范圍： 0~180度
手臂回轉(zhuǎn)速度： 90度/秒
手臂俯仰范圍： 0~30度
手腕回轉(zhuǎn)范圍： 0~180度
定位方式： 手臂回轉(zhuǎn)的兩端點位置（即0~180度）用死擋鐵定位；手臂俯仰的兩面三刀端點位置用活塞與端蓋相碰定位。手腕回轉(zhuǎn)的兩端點位置用動片和定片相碰定位。
緩沖方式： 手臂回轉(zhuǎn)用單向可調(diào)節(jié)流緩沖閥和油缸端部緩沖；手臂信仰和手腕回轉(zhuǎn)用油缸端部節(jié)流緩沖。
驅(qū)動方式： 液壓，它是在機械手中液壓驅(qū)動是用的最多的方式。
控制方式： 電子程序控制
4.3 縫紉機針擺動機械手的配置及工作原理
擺動機械手在拋光自動線上的配置是由震動式順針機，上料工作臺 ，機械手，拋光輪（四臺）和裝針斗（四臺）組成。每臺機械手分別由電子程序控制器根據(jù)機械手動作要求所編制的程序，依次控制液壓系統(tǒng)的電磁換向閥，從而使機械手進(jìn)行各種動作。
自動線操作過程如下：機械手1在上料位置，工人將要拋光的針整齊后送到待夾料位置，發(fā)訊啟動，手1的手指將針夾住，然后手臂順時針回轉(zhuǎn)90度到拋光輪位置（此時拋光輪旋轉(zhuǎn)并左右移動），手臂上下擺動一次，手腕 回轉(zhuǎn)180度，手臂再上下擺動一次，手臂順時針再回轉(zhuǎn)90度，手1和手2同到換夾針位置，手2先將縫紉機針夾住再發(fā)訊號，手1手指才松開，并開始時復(fù)原動作，即手臂反時針回轉(zhuǎn)180度，同時手腕反向回轉(zhuǎn)180度，到達(dá)上料位置等待下個工作循環(huán)，手2重復(fù)著上述動作?？p紉機針就在各機械手間依次調(diào)頭，傳遞，拋光，當(dāng)手4拋光完了其手臂轉(zhuǎn)到下料位置 時手指松開，將拋光好的針卸到裝針斗中。至此，第一組拋光工序結(jié)束。如圖4.1所示
圖4.1 全自動線工作原理圖
4.4 縫紉機針擺動機械手的組成部分
該擺動機械手由手臂上下擺動部分，手臂回轉(zhuǎn)部分，手腕回轉(zhuǎn)及夾持式手部，單向可調(diào)節(jié)流緩沖閥，機械手運動方向控制閥和電氣控制裝置等組成。手臂上下擺動（即俯仰）系采用一只雙作用油缸來實現(xiàn)?；钊麠U上端連接在手臂上，連接點到手臂擺動點之間有一定距離，因此，當(dāng)活塞桿上下運動時，手臂就形成個杠桿而上下擺動。
手臂左右回轉(zhuǎn)系采用回轉(zhuǎn)油缸來實現(xiàn)。手臂回轉(zhuǎn)有三個停止位置，即上料點，（起點），工作點，下料點（終點）。三個停止位置的檢測是通過永久磁鐵和干黃管來達(dá)到的手腕回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)的。手指的夾緊動作是由一個單作用油缸通過活塞桿外夾式手部帶動手指而夾緊縫紉機針的。手指夾緊程度可以調(diào)節(jié)。單向可調(diào)節(jié)流緩沖閥，能實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的緩沖。由油路分配板、二位四通電磁閥、二位三通電磁閥和三位四通電磁閥，組成機械手運動方向的控制裝置。機械手的動作程序由電子程序控制器進(jìn)行控制。
5 機械手手臂俯仰部分的設(shè)計
5.1 手臂的組成
手臂是機械手的主要部分，它是支承手腕、手指和工件并使它們運動的機構(gòu)。
臂部一般有下列幾部分組成：
（1） 動作元件：如直線缸，回轉(zhuǎn)缸，齒條齒輪，連桿凸輪等，它是驅(qū)動手臂運動的元件。動作元件與驅(qū)動相配合，就能實現(xiàn)手臂的各種運動。
（2） 導(dǎo)向裝置：手臂在靜止?fàn)顟B(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，在運動時又有一個慣性力。為保證手爪的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。
（3） 臂：手臂上的動作元件，導(dǎo)向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承，連接和承受外力的作用。所以要求手臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生變形產(chǎn)生顫動。
（4） 其他裝置：如管路，冷嘲熱諷卻裝置，位置檢測機構(gòu)等。
5.2手臂的設(shè)計要求
臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為了實現(xiàn)這些運動，需要滿足下列幾項基本要求。
（1） 臂部應(yīng)承載能力大，剛性好，自重輕
手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性、運動的速度和的定位精度。如剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時工件卡死無法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來加大手臂的剛性，各支承、連接桿的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動力
根據(jù)上述要求，地設(shè)計手臂時，要對其進(jìn)行撓度計算，其變形量應(yīng)小于許可變形量。
我們知道懸臂梁的撓度計算公式為：
Y=QL3/3EJ………………………………………………………………5.1
式中： Y——撓度；
E——彈性模數(shù)；
Q——載荷；
J——慣性矩；
L——懸臂長。
從上式可知，撓度與載荷，懸臂長成正比，而與彈性模數(shù)，慣性矩成反比。在Q與L值已確定的情況下，只有增大EJ值，才能減少梁的彎曲變形，所以，為了提高剛度，從材質(zhì)上考慮意義不大，主要應(yīng)選用慣性矩大的梁。在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管，工字鋼和槽鋼的慣性矩要比無縫鋼大得多，所以，機械手中常用無縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重。
（2） 手臂的運動速度要高，慣性要小
機械手的運動速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來決定的，但不宜盲目地追求高速度。
手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運動速度——啟動，以及由常減速到停止不動——制動，速度的變化過程為速度特性曲線。
手臂自重輕，其啟動停止的平穩(wěn)性就好。
（3） 手臂動作要靈活
要使手臂運動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或運動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式的機械手手臂上零部件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支承中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。
（4）位置精度要高
機械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還要注意以下幾點：
1．手臂的剛性好，偏重小，慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計手臂時要周密考慮和計算；
2．還要合理的選擇機械手的坐標(biāo)形式，一般說來，直角和圓柱坐標(biāo)式機械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；
3．在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機構(gòu)，來控制手臂運動的位置精度；還要減少或消除各傳動，嚙合件的間隙。
（5）機械手的通用性要好，以適應(yīng)多種作業(yè)的要求；工藝性要好。
手臂要便于加工和安裝；用于熱加工機械手，還要考慮熱輻射的影響，手臂要長些，使用權(quán)驅(qū)動部分遠(yuǎn)離熱源，并裝上冷卻裝置；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設(shè)置防塵裝置等。
上面這些要求，往往是互相影響和互相制約的，設(shè)計時應(yīng)全面分析各方面因素，綜合考慮。
5.3 手臂擺動結(jié)構(gòu)
5.3.1手臂上下擺動機構(gòu)簡介
球坐標(biāo)式的機械手臂部在垂直面內(nèi)作上下擺動運動；圓柱坐標(biāo)式的機械手臂部在垂直面內(nèi)做上下升降運動。在機械手相同高度的情況下，球坐標(biāo)式臂部的作業(yè)范圍要大的多。所以，坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式。
球坐標(biāo)式的機械手，其臂部上下擺動機構(gòu)，通常是用雙作用油缸的活塞桿端部與聯(lián)接圈用鉸鏈連接，并通過連接圈與手臂固定聯(lián)接油缸下端蓋與油缸支座鉸鏈聯(lián)接。當(dāng)壓力油分別進(jìn)到雙作用油缸的上下兩油腔時，使活塞上下運動，通過聯(lián)接圈使手臂繞擺動支點做上下擺動?；钊舷逻\動到兩端時，靠活塞兩端的三角形節(jié)流槽和缸蓋相碰而定位。
確定油缸工作壓力及工作面積。
油缸的工作壓力p1，阻力P和油缸的內(nèi)徑D有以下關(guān)系：
D= …………………………………………………5.2
式中：
D——油缸的直徑
P——油缸阻力
p1——油缸工作壓力
d——活塞桿直徑
由上式可看出，D和p1 均為未知數(shù)，一個方程式不能求出兩個未知數(shù)。此時，可根據(jù)人作壓力與阻力的關(guān)系表初步定出油缸工作壓力p1。 當(dāng)阻力小于500公斤時，油缸工作壓力小于8-5公斤/平方厘米。當(dāng)阻力在小于500-1000時，油缸工作壓力在15-25公斤/平方厘米范圍，阻力在小于1000-2000公斤時，油缸工作壓力在小于25-35公斤/平方厘米范圍。當(dāng)阻力小于2000-3000公斤時，油缸工作壓力在小于35-45公斤/平方厘米。當(dāng)阻力小于3000-5000公斤時，油缸工作壓力在小于45-55公斤/平方厘米。當(dāng)阻力小于5000-10000公斤時，油缸的工作壓力在小于55-100公斤/平方厘米。
表5.1 油缸工作壓力與活塞桿直徑的關(guān)系
油缸工作壓力p1（公斤/平方厘米）
<20
<50
50< p1<70
>70
推薦活塞桿直徑d
(0.3~0.4)D
(0.5~0.55)D
(0.62~0.7)D
0.7D
本課題是上下推動機械手臂，油缸所需最大推力約500公斤，油缸工作壓力在15~25公斤/平方厘米范圍，
設(shè)本系統(tǒng)油缸最大工作壓力為23公斤/平方厘米，
由式樣 D=
=60 mm 即油缸直徑為60mm
由上表5.1可知，活塞直徑d=0.5D=30 mm
5.3.2 手臂上下擺動機構(gòu)及緩沖
雙作用油缸的活塞桿端部與聯(lián)接圈用銷釘連接，并通過聯(lián)接圈與手臂固定聯(lián)接，油缸下端蓋與油缸支座銷釘聯(lián)接。
圖5.1 手臂上下擺動機構(gòu)
當(dāng)壓力油分別進(jìn)到雙作用油缸的上下兩油腔時，使活塞上下運動，通過聯(lián)接圈使手臂繞擺支點作上下擺動?；钊舷逻\動到兩端時，靠活塞環(huán)兩端的三角形節(jié)流槽和缸蓋凹孔形成節(jié)流緩沖，并由活塞與缸蓋相碰而定位。
專用機械手及簡易型通用機械手常用的緩沖方法，可大致分內(nèi)緩沖和外緩沖兩種。內(nèi)緩沖是在驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置緩沖環(huán)節(jié)，例如在油路中設(shè)置緩沖回路，緩沖元件，在油缸設(shè)置緩沖機構(gòu)。大多數(shù)液壓驅(qū)動的機械手采用內(nèi)緩沖的方法。外緩沖是在驅(qū)動系統(tǒng)之外設(shè)置緩沖機構(gòu)。
固定行程的機械手多數(shù)采用油缸端部節(jié)流緩沖裝置。其原理是在活塞的兩端加工一定長度的凸臺（即緩沖柱塞）；在油缸兩端蓋上，相應(yīng)地加工兩凹槽，其間隙很小，有的還在凸臺上做出錐形的三角槽或在端蓋上鉆一小孔節(jié)流。當(dāng)活塞運動到凸臺進(jìn)入凹槽時，在油塞端部便形成一近乎封閉的緩沖油腔?；钊^續(xù)前進(jìn)時，緩沖油腔中的壓力升高，阻止活塞運動。這時油便從凸部間隙和三角節(jié)流槽或小孔擠出，達(dá)到活塞減速的目的。最后由于阻力增加，速度減慢，機械手在停止前的速度接近于零。
這種緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡單，效果較好。但只能用于行程固定的情況下，在專業(yè)機械手中被廣泛采用。
端部緩沖的缺點是緩沖室小，節(jié)流間隙不能調(diào)整；由于緩沖室截面較小，用于緩沖的油量就小，所能吸收的沖擊能量就?。挥捎诠?jié)流間隙不可調(diào)，就不能控制適當(dāng)?shù)臏p速度；用端部緩沖，活塞的起動力變小，起動時間延長。
6 機械手手臂回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計
6.1 手臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
在這里表示了手臂回轉(zhuǎn)單向可調(diào)節(jié)流緩沖閥和死擋鐵定位等結(jié)構(gòu)。手臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如下圖所示。
圖6.1 手臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
在底板上固定連接著立柱，立柱上裝有支撐座，油缸分配柱和回轉(zhuǎn)套，三者彼此分別與回轉(zhuǎn)套，轉(zhuǎn)柱用螺釘連接，回轉(zhuǎn)缸殼體與動片亦用螺釘連接。在轉(zhuǎn)柱上支承著配油盤和連接圈，轉(zhuǎn)柱和配油盤間油孔對應(yīng)情況如下，連接圈可繞o點擺回轉(zhuǎn)油缸的定片與回轉(zhuǎn)缸軸（兩者用螺釘連接）通過十字聯(lián)軸器與立柱連接。當(dāng)壓力油經(jīng)立柱內(nèi)的油路，
油路分配器，經(jīng)管路而進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)，使回轉(zhuǎn)缸殼體回轉(zhuǎn)，并帶動聯(lián)接圈使手臂回轉(zhuǎn)。
6.2 手臂驅(qū)動力矩的計算
根據(jù)手臂運動的不同，驅(qū)動力可分為兩種情況來計算。
1． 水平伸縮運動時，主要是克服摩擦阻力和慣性力
P驅(qū)=F摩+F慣………………………………………………6.1
式中 F摩——摩擦阻力，應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力、活塞與密封裝置處的摩擦阻力
F慣——手臂在啟動過程中的慣性力。其大小可按下式計算；
………………………………………………6.2
其中 G——手臂移動部件的重量（公斤）
g——重力加速度9.8（米/秒2）
——啟動或制動前后的速度差（米/秒）
——起動或制動所需的時間（秒）
2．手臂回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為：
M=Jε=JΔω/Δt=(J1+J2) Δω/Δt………………………………………………6.3
式中：
ε——角加速度；
Δω——起動或制動前后的角速度差；
J——臂部回轉(zhuǎn)件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動力慣量；
J1——臂部零件對其重心的轉(zhuǎn)動慣量；
J2——臂部零件作為其重心位置的質(zhì)點對臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
式中：
J2=G/gρ2……………………………………………………………………………6.4
ρ——回轉(zhuǎn)半徑；
計算J1時，可把形狀復(fù)雜的零件劃分為幾個簡單的幾何形狀來計算。在有關(guān)書中可分別查出其J1的計算公式?，F(xiàn)列幾種幾何體J1的計算公式：
圓柱體 J1=m(L2+3R2)/12………………6.5
圓盤 J1=m R2/2 ……………………6.6
長方體 J1=m(a2+b2) ……………………6.7
根據(jù)實際要求 ，將臂部簡化為直徑為100毫米的圓柱體。
Δω=0.785 rad/s
Δt=1 s
J1=m(L2+3R2)/12=0.2219X60(602+3X102)/12=4327.05 cm4
J2= G/gρ2=0.2219×60×502/9.8=3396.43 cm4
J= J1 +J2=7723.48 cm4
所以 M=Jε=JΔω/Δt=(J1+J2) Δω/Δt=7723.48X0.785/1=6062.93 KN.cm
τ=M/W
式中：
M——手臂回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力矩
W——抗扭截面系數(shù)
其上W=3.14D3/16=3.14×103/16=196.25
τ= M/W=6062.93/196.25=30.89 MPa
[τ]=35 MPa
可知τ<[τ] 手臂在回轉(zhuǎn)時符合設(shè)計的要求
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采取下列措施：
1． 減少手臂運動件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料；
2． 減少手臂運動件的輪廓尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧；
3． 減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手動作順序時，一般是先縮回再回轉(zhuǎn)或盡可能在較小前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。
4． 驅(qū)動系統(tǒng)中加設(shè)緩沖裝置。
6.3 回轉(zhuǎn)油缸缸蓋固定螺栓直徑校核
回轉(zhuǎn)油缸缸蓋固定螺栓在工作過程中同時承受拉應(yīng)力和扭應(yīng)力，其螺栓直徑可
下式校核
d……………………………………………………………6.8
F為油缸負(fù)載約 F＝200N
Z為固定螺栓個數(shù) Z＝8
k為螺紋擰緊系數(shù)k=1.12-1.5 取K＝1.3
[]=s/(1.2-2.5),s為材料的屈服點 []＝640/1.3=492.3 Mpa
所以 d=＝0.33cm=3.3mm
設(shè)計中采用的螺栓直徑d=6mm3.3mm
滿足強度要求 。
活塞桿穩(wěn)定性校核
對受壓的活塞桿來說，一般其直徑d應(yīng)不小于長度l的1/15.
即此處d=20mm l=80mm
即d/D=20/80=0.25 不小于1/15
穩(wěn)定性符合要求。
7 機械手手腕回轉(zhuǎn)與夾持手部的設(shè)計
7.1 手腕的定義及作用
手腕是連接手指和手臂的結(jié)構(gòu)，它使手指能從不同的角度夾緊和松開工件，以增加機械手的靈活性，
手腕的運動和特點是手腕可作回轉(zhuǎn)、上下彎曲（擺動）和左右擺動三個動作，即三個自由度。用得較多的就是通過手腕的回轉(zhuǎn)運動，而上下擺動可以通過手臂來實現(xiàn)，這就簡化了手腕的結(jié)構(gòu)。手腕的三個自由度是用來調(diào)整該工件（或工具）的方向用的。由于手腕是裝在手臂的前端，所以手腕動作精度是綜合的定位精度，它直接受手臂的定位精度和剛度的影響。
手腕和手臂的動作關(guān)系是：手臂的三個自由度是用來使工件（或工具）做上下、左右或前后往復(fù)移動和定位用的，而手腕的三個自由度是用來調(diào)整工件的方向用的。手腕的動作雖不多，但是它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。在具有足夠力量的情況下，重量盡可能要輕，手指的夾緊機構(gòu)往往要與手腕機構(gòu)同時考慮。手腕回轉(zhuǎn)90度，可采用擺動油缸，該油缸的轉(zhuǎn)軸又可兼做手指夾緊油缸之用，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)布置緊湊，重量輕。
在設(shè)計手腕部件時，要求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、小巧。手腕動作的動力源要從手臂內(nèi)部通過，使手腕在擺動時，油缸不至于扭轉(zhuǎn)。并要求能隨時根據(jù)工件需要更換手爪，以擴大機械手的應(yīng)用范圍。
7.2 手腕回轉(zhuǎn)和夾持式手部的結(jié)構(gòu)
如下圖所示為手腕回轉(zhuǎn)和夾持式手部的結(jié)構(gòu)。手臂支承著手腕回轉(zhuǎn)油缸和手部。手腕回轉(zhuǎn)半徑缸的殼體通過端蓋與手臂用螺釘聯(lián)接，回轉(zhuǎn)缸動片與轉(zhuǎn)軸因定聯(lián)接，通過轉(zhuǎn)軸右端的牙嵌式聯(lián)軸器把運動傳給夾緊油缸和夾緊缸頂蓋，致使手部和手指及橡皮墊子共同回轉(zhuǎn)。
當(dāng)壓力油經(jīng)油管經(jīng)過二位四通（手腕回轉(zhuǎn)用）與二位三通（手指夾緊用）兩個電磁換向閥和油管流到轉(zhuǎn)柱和配油盤，其中油孔用油管接到手臂上油孔，將壓力油通到手腕回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)，使手腕回轉(zhuǎn)180度。該油缸采用端部單向節(jié)流緩沖，定片和動片相碰定位。配油盤上的油孔，用油管接到手臂上的油孔處，將壓力油通到手部的夾緊油缸的左腔，推動帶圓錐的活塞桿 ，使鉗口板座繞可調(diào)座上軸銷擺動，使手指邊同橡皮墊夾緊縫紉機針。夾緊缸活塞桿靠彈簧復(fù)位，并和彈簧共同作用下使手指松開
圖7.1手腕回轉(zhuǎn)和夾持式手部的結(jié)構(gòu)
7.3 夾緊力的計算
為了把工件夾牢，兩個擺動的手指對工件的夾緊力的可按下式計算：
N=K1×K2×K3×G ……………………………………………………………7.1
式中：
K1——安全系數(shù)一般取1.2~2;
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。它可以近似按下式估算，其中g(shù)是重力加速度；
K3——方位系數(shù)；
G——被抓取工件的重量
又：
P×dy=2N×b×dθ……………………………………………………………7.2
所以：N=(P/2b)×dy/dθ
當(dāng)該手爪水平夾緊重量為G的工件時，根據(jù)工件的力平衡條件R2=R1+G, 可以看出了上下兩面手爪，對工件的夾緊力并不相等，而且隨夾緊缸的驅(qū)動力P增加而增大，但R1 和R2的差值永遠(yuǎn)為工件的重量。使R1=0,R2=G是夾緊缸驅(qū)動力最小的情況，這時最小驅(qū)動力P可以由下述方法求出。根據(jù)虛位移原理有：
P×dy=R1×dθ+R2×dθ…………………………………………………7.3
將 R1=0,R2=G代入，
求得： P=G×b×dθ/dy 代入上式
求得： N=Pdy/2bθ=1/2G.。
7.4腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算
腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力。腕部回轉(zhuǎn)支承處的磨擦阻力矩M1
克服由于工件重心偏置，所需的力矩M2；克服起動慣性，所需要的力矩M3
手腕回轉(zhuǎn)所需力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈椫停?
M=M1+M2+M3………………………………………………………………………7.4
如果當(dāng)手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量不是很大時，手腕起動過程所產(chǎn)生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算的M1,M2適當(dāng)放大，而省略掉M3，這時手腕回轉(zhuǎn)所需的力矩可近似寫為：
M=1.1(M1+M2) ……………………………………………………………………7.5
根據(jù)實際，手爪，手爪驅(qū)動油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動件等為一個等效為圓柱體，高為500mm,直徑為45mm,其重量為G=20N
摩擦阻力矩 M1=0.1M
起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 ψ=180°
等速轉(zhuǎn)動角速度 ω=150°/秒
M3=0.0175(J+J1)ω2/2ψ
J=GR2/2g=20×0.02252/(2×9.8)=0.00052 Kgm2………………………7.6
工件近似看成長方體
J1=m(a2+b2)=（0.032+0.152）=0.0225+0.0009=0.0234 Kgm2……………7.7
M3=0.0175(0.0234+0.00052)1502/360=0.026 Nm
M=M1+M2+M3
因為：M2=0 ; M1=0.1M
M=0.1M+0.026
M=0.0289 Nm
可知滿足要求
7.5對手部的要求
7.5.1 手指的抓取機能是由被抓取物件和手指決定的
被子抓緊取物件的大小，形狀，重量，材質(zhì)和受外力的約束程度及運動（抓緊取運動的物件）情況，決定了手指的大小，形狀，個數(shù)，種類，配置和動作，而這些又決定了手指頭的抓取機能（即該手指能抓緊取的極限尺寸；手指對物件的約束和握緊程度；抓取精度—定位精度等）。
7.5.2 手指握力的大小要適宜
握力過大， 則需要較大的動力源和結(jié)構(gòu)，不經(jīng)濟，并可能損壞物件；握力過小，由于物件的自生以及傳送過程中的慣性力和振動等而抓不住物件。在通常情況下，所需要的握力是物件重量的2~3倍。機械手的手指握力應(yīng)當(dāng)是可調(diào)的。但由于專用機械手常用于 批量較大，物件比較單一的場合，因此，只要有適宜的握力，雖不可調(diào)，也還是可以的。
7.5.3要有足夠的夾緊距離
無論哪種類型的手部，抓取物件時，要使用權(quán)物件能夠順利地進(jìn)入手指；而放置物件時，物件又應(yīng)易于擺脫手指的約束。因此要有足夠的夾緊和脫開距離。
夾緊后，物件的重心就應(yīng)盡量接近手腕的對稱軸線，以保證物件對手腕的偏生力矩最小。各構(gòu)件要有足夠的剛度和強度，而自重要輕；結(jié)構(gòu)簡單，修理方便；動作迅速，靈活，準(zhǔn)確。
8 液壓系統(tǒng)工作原理
8.1 液壓控制
液壓是機械手的一種主要控制形式。機械手的運動速度和操作是根據(jù)油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量與壓力，就可以控制手的運動速度和操作力，油壓力一般在5-140公斤/厘米2范圍內(nèi)，最大臂力可達(dá)160公斤以上。
液壓元件主要有方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥。
1． 方向控制閥能引導(dǎo)或阻止液流通過某選定的通道，它只起開關(guān)作用，而不能調(diào)節(jié)流量和壓力。它通常是兩通、三通和四通型，可以采用手工或機械傳動、氣動和電動進(jìn)行操作。
2． 壓力控制閥用于調(diào)節(jié)油路壓力，可分為溢流閥和減壓閥兩類，可以是單級（直接作用式）也可以是兩級（復(fù)合式）。溢流閥是常閉的，達(dá)到最大壓力時才開啟，將多余流量從旁路流掉，以保持調(diào)定的壓力。減壓閥常開的，它的關(guān)閉是為了對管道中液流進(jìn)行節(jié)制，以保持某一最低壓力。此外，與減壓閥結(jié)構(gòu)近似的壓力控制閥，還有安全閥或過載溢流閥，背壓閥，卸荷閥，分載閥，降壓閥以及沖擊抑止閥等。
3． 流量控制閥用來調(diào)節(jié)油路中的流量，其結(jié)構(gòu)形式也很多。從簡單的兩通針閥、球閥、閘門閥直至固定式和可調(diào)節(jié)式帶壓力補償?shù)牧髁靠刂崎y等。分流閥減速閥也是流量控制閥的一種特殊形式。
而此次由于拋光自動線有四只機械手，故液壓系統(tǒng)由四個完全相同的分支系統(tǒng)組成。每個分支系統(tǒng)以SY1,SY2,SY3,SY4表示，如圖所示。
圖8.1 液壓系統(tǒng)工作圖
表8.1 機械手的動作程序和電磁鐵的動作順序
序號
動作名稱
電 磁 鐵
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
6DT
1
手指夾緊
+
-
-
-
-
-
2
手臂右轉(zhuǎn)90度
+
+
-
-
-
-
3
手臂向下
+
-
+
-
-
-
4
手臂向上
+
-
-
-
-
-
5
手腕翻轉(zhuǎn)180度
+
-
-
+
-
-
6
手臂向下
+
-
+
+
-
-
7
手臂向上
+
-
-
+
-
-
8
手臂右轉(zhuǎn)90度，加拋光膏
+
+
-
+
-
+
9
手指松開
-
-
-
+
-
-
10
手臂左轉(zhuǎn)90度
-
-
-
+
+
-
11
手臂左轉(zhuǎn)90度，手腕反轉(zhuǎn)180度
-
-
-
-
+
-
具體工作情況如下：
1. 壓力油從油箱出來進(jìn)入濾油器，通過定量泵，再流過單向閥，此時二位四通電磁換向閥的電磁鐵1得電使手指夾緊；
2. 隨后，
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