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畢 業(yè) 設 計（論 文）
題 目 電動機座加工自動線卸料機械手設計
姓 名： 馮 應 輝
學 號： 0515011211
所在系部： 機械工程系
專業(yè)班級： 05機制（2）班
指導老師： 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 各種坐標形式機械手的比較.............................................................................................9
2.1.2選定的兩個機械手方案的概述及比較...............................................................................12
2.2 機械手的組成及各部分關(guān)系概述........................................................................................16
2.2.1 執(zhí)行機構(gòu).............................................................................................................................17
2.2.2 驅(qū)動機構(gòu).............................................................................................................................17
2.2.3 控制系統(tǒng).............................................................................................................................18
2.3 機械手的主要參數(shù)................................................................................................................19
2.3.1 機械手的主要技術(shù)參數(shù).....................................................................................................19
2.3.2 機械手的主要規(guī)格參數(shù).....................................................................................................19
3 機械手機械系統(tǒng)的設計 ......................................................................................20
3.1 手部的設計............................................................................................................................20
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設計.................................................................................................................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)設計 ...............................................................................................35
3.2.5 手臂伸縮缸的設計計算.....................................................................................................35
4 機械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設計...........................................................................42
4.1 程序控制機械手的液壓系統(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 機械手的PLC控制設計........................................................................................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 控制面板設計........................................................................................................................51
5.5 卸料機械手電氣控制圖........................................................................................................52
5.6 電氣系統(tǒng)工作流程圖原理....................................................................................................54
致 謝...........................................................................................................................57
參考文獻 ...................................................................................................................59
1 緒論
機械手，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)機械手即在工業(yè)生產(chǎn)中所使用的機械手，是一種可編程序的自動機械手。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，不同功能的機械手。由于機械手的出現(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，機械手的設計開發(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
機械手在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應用于機加工，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，機械手由于有顯著的優(yōu)點而備受重視。以下是機械手在工業(yè)中的幾種典型應用：
1．旋轉(zhuǎn)體零件生產(chǎn)流水線自動化方面
采用機械手在旋轉(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），大連電機廠的4號和5號電動機軸加工自動線（軸類），上海拖拉機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床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的汽缸蓋加工自動線轉(zhuǎn)位機械手。
2．在實現(xiàn)單機自動化方面
1）各類半自動車床，有自動夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料。裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用最多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二機床廠的自動循環(huán)
液壓仿形車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面使用已有成熟的經(jīng)驗，國內(nèi)一些機床廠已在這類機床產(chǎn)品出廠時就附上機械手，或為用戶自行安裝機械手提供條件。
2）注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。
3）沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠200t沖床磁力起動器殼體下料機械手和天津拖拉機廠400t沖床的下料機械手等;一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手（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多工位沖床機械手等。
3.在鑄、鍛、焊等熱處理方面
在鍛造方面，機械手一般用做加熱爐，鍛壓機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通用機械手用于精鍛機上下料。
在鑄造方面，機械手應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，該廠使用機械手后鑄件質(zhì)量得到了很大提高，穩(wěn)定性增強。
在焊接方面，焊接機械手也是應用較多的，這種機械手可分為點焊接機械手和弧焊接機械手。對于點焊接機械手，其手臂能伸縮，俯仰，回轉(zhuǎn)，手腕能擺動，回轉(zhuǎn)，俯仰。至于弧焊接機械手，它的焊炬能作復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)機械手在裝配中的應用，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)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機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、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應推廣工業(yè)機械手或機器人。
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，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調(diào)重復勞動。
3.動作準確，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.機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。
5.機械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。
由于機械手在工業(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)機械手的應用和發(fā)展，機械手的應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)了廣闊的應用前景。近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應用的范疇十分廣闊。
成品電動機機體形狀很復雜，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計出一種電動機機體加工自動線上用的輔助機械手，該機械手在機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，降低勞動強度。
1.3 本課題的研究內(nèi)容 ：
本次設計的多功能機械手用于電動機座加工自動線上，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。本機械手為圓柱坐標式機械手，自動線圍繞機體布置，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自由度，目的是擴大升降范圍，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。
本機械手裝置應具備如下功能；
1. 具有友好的人機界面，以保證人機通訊、人機互助和人機協(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.能夠依次對柴油機機體完成上料、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，使該機械手在整個柴油機機體加工自動線都具有一定的適應性。
2 機械手的總體設計
2.1 總體方案的比較與選定
2.1.1 各種坐標形式機械手的比較
按坐標形式分，機械手主要有以下四種不同的類型：
1. 直角坐標式
2. 圓柱坐標式
3. 球坐標式
4. 平面多關(guān)節(jié)式
根據(jù)設計要求，本課題設計的機械手需要在電動機座加工自動線卸料，包括上料，升降，轉(zhuǎn)位，等多種功能。結(jié)合設計要求對各種坐標形式的機械手的優(yōu)缺點作出評析，
如下：
1. 直角坐標式機械手（如圖2.1）。這種機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 直線坐標式機械手
2. 圓柱坐標式機械手（如圖2.2）。這是一種回轉(zhuǎn)型機械手，其手臂除了可以伸縮，可以升降外，還可以繞立柱回轉(zhuǎn)。這種機械手與直角坐標式機械手相比，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)亦比較簡單，并能達到較高的定位精度。但是，它的手臂的升降受到機械手結(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 圓柱坐標式機械手
1— 手部 2—腕部 3—臂部
3. 球坐標式機械手（如圖2.3）。這種機械手與圓柱坐標式機械手相比，在占有同樣大小的空間情況下，可以擴大工作范圍，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 球坐標式機械手
4. 4.多關(guān)節(jié)坐標式機械手（如圖2.4）。這種機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。它與其他坐標形式的機械手相比，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，因而使設計和制造均較為復雜。
圖2.4 多關(guān)節(jié)坐標式機械手
2.1.2選定的兩個機械手方案的概述及比較
2.1.2.1兩種方案概述
根據(jù)本課題的設計要求，該機械手能夠完成上料、升降、轉(zhuǎn)位工件等多種功能，所以，在這里設計了四個機械手將要到達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）。機械手在一個周期內(nèi)的動作過程如下：
一．上料。機械手在運動開始前面向第一工位。開始工作后，機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，將工件提起到預定的高度。
三．接下來，大手臂回轉(zhuǎn)90度（當前輸送帶前進到終點發(fā)信）。
四．然后小手臂下降到工件準確地放到轉(zhuǎn)載裝置前輸送帶的適當位置上。
完成一個周期的動作后，機械手轉(zhuǎn)向第一工位，處于“回到原點”狀態(tài)。這時，第一工位的專機已經(jīng)完成加工處于“等候上料”狀態(tài)，機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體已經(jīng)順著自動線傳至第二工位，機械手將其轉(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)上述各種形式的機械手，在滿足設計要求的前提下設計出以下兩種方案。
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
這是一種屈伸型機械手，該機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，通過機身的回轉(zhuǎn)來實現(xiàn)使手臂面向不同的工位。該機械手有E1-E5（見圖2.6）共5個自由度，其中：
E1：機身繞機座回轉(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)
這種機械手采用直線式流水線，待加工的柴油機機體從流水線上依次流到A,B,C,D四個工位，機械手通過機身的回轉(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械手到達四個工位點，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
這是一種圓柱坐標坐標式機械手。該機械手由機座、機身（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
該機械手的工作流程圖如下：
圖2.10 方案二的工作流程圖
該機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，彈簧自動復位。
在工作中，自動流水線環(huán)繞機座兩旁布置， 機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正確的工位。
但是，方案一運動直觀性差，結(jié)構(gòu)復雜。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，不宜布置過多的機械擋塊。如果改采用連續(xù)軌跡控制的機械手，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 機械手的組成及各部分關(guān)系概述
本課題所設計的是一種在電動機機體加工自動線上用的多功能機械手，屬于工業(yè)用機械手。同大部分工業(yè)機械手一樣，它是由執(zhí)行機構(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 機械手組成框圖
2.2.1 執(zhí)行機構(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。本課題設計的多功能機械手需要抓取的是電動機座體，為了便于機械手結(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號電動機座。由于電動機座機體內(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，并按預定要求將其搬到預定的位置。
手臂有兩個自由度，可采用直角坐標（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標（前后、上下直線往復運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標（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)動機構(gòu)
有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在300N 以下。液動式的出力大，臂力可達1000N以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機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械手中.如在上下料和沖壓機械手中應用較多.
（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)在機械手中被大量選用.
2.工業(yè)機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則
設計機械手時,選擇哪一類驅(qū)動系統(tǒng),要根據(jù)機械手的用途,作業(yè)要求,機械手的性能規(guī)范,控制功能,維護的復雜程度,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)濟性以及可靠性后進行最終的選擇.
一般情況下機械手驅(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械手,重負載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng),中等負載的可選用電動驅(qū)動系統(tǒng),輕負載的可選用氣動驅(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)
機械手電器控制系統(tǒng)有各種類型，除了通用機械手外，絕大多數(shù)要專門進行電控系統(tǒng)的設計。工業(yè)機械手的電器控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，
并協(xié)調(diào)機械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機械手的工作順序，應達到的位置，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構(gòu)有較重要的作用。檢測是為進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)，主要用于將機械的位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，控制?qū)動電動機的運作狀態(tài)，或控制有關(guān)電磁閥的動作，從而實現(xiàn)機械手的定位或進行行程控制。
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。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。
2.3 機械手的主要參數(shù)
2.3.1 機械手的主要技術(shù)參數(shù)
本課題為電動機機體加工線上的輔助裝置之一，機械手在機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號電動機座為例，其主要技術(shù)指標如下：
（1） 最大抓取重量: 35Kg
（2） 械手的自由度: 2個
（3） 坐標型式：類似圓柱坐標
（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 機械手的主要規(guī)格參數(shù)
工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)，是說明機械手規(guī)格的具體指標，包括以下幾個方面：
1）自由度數(shù)目和坐標形式：自由度2個，坐標形式為圓柱坐標式。
2）定位方式：機械擋塊和行程開關(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，電動機是JO2-41-6型，功率為3kW。
8）重量：35kg。
3 機械手機械系統(tǒng)的設計
3.1 手部的設計
3.1.1 手部結(jié)構(gòu)的設計
手部設計時應該注意的問題：
（1） 手指需有足夠的夾緊力。
（2） 手指應有一定的開閉角度范圍，其大小應滿足工件尺寸變化的需要。
（3） 應能保證工件的準確定位。
（4） 結(jié)構(gòu)盡量緊湊、減輕重量，以利于臂部設計。
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。為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當被夾持工件是圓柱刀柄時，使用夾持式手部;當該機械手做其他用途，被夾持工件是板料時，可使用氣流負壓式吸盤。
夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(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?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，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壓吸盤和電磁吸盤兩種?？諝庳搲何P對所吸附的工件的材質(zhì)不限，但要求工件表面較平整?？諝庳搲何P按形成負壓的方法分為擠氣式，氣流負壓噴嘴式，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。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。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 :
本設計中機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 ；
電動機座機體結(jié)構(gòu)復雜，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體的接觸面積；二，增大手指和機體間的摩擦系數(shù)。為此本設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構(gòu)效率等得影響，故實際握力還應按下式計算：
式中， η ——手部的機械效率，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
假設當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)標準系列直徑圓整，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
有總體設計可知l=40mm,d=20m，所以這里只對桿進行強度的校核。
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
當活塞桿L>15d時，一般應進行穩(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)。
臂部設計時應注意的問題：
（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，必須有導向裝置。其結(jié)構(gòu)應根據(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)動機構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構(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械手的工作性能。
有本機械手的總體設計可知該臂部分兩部分：回轉(zhuǎn)缸和伸縮缸?；剞D(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
對于懸臂式的機械手,其傳動件,導向件和定位件布置應合理,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
?。剑ǎ?
偏心位置：
?。?
?。絤
偏重力矩：
Ｍ偏＝＝＝Ｎ．M
升降導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)設計
大臂實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動，符合一般液壓缸的設計，根據(jù)設計要求，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)，達到指定的加工自動線的預定位置！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
當活塞桿L>15d時，一般應進行穩(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度進行設計
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)，，應力校正系數(shù)，，
2.6.許用彎曲應力由公式計算 ；
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.對進行修正
m==2.94=3.11mm
取標準模數(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