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XX大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會進(jìn)入了一個以自動化和電子技術(shù)為標(biāo)志的新時代。自動化機(jī)械大量應(yīng)用于工業(yè)工程中，其中工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用最為廣泛。工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動作的機(jī)器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。
本論文介紹了用于夾持外圓件的上下料機(jī)械手的設(shè)計。它采用液壓驅(qū)動，點(diǎn)位程序控制，動作平穩(wěn)，控制方便。
本論文主要闡述該機(jī)械手的升降和回轉(zhuǎn)的設(shè)計和計算。首先從機(jī)械手的基礎(chǔ)知識介紹有關(guān)機(jī)械手的組成、分類、腕部及臂部設(shè)計、液壓控制的多種方案，再從本次設(shè)計所要求的功能原理設(shè)計開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對其的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對其驅(qū)動力和驅(qū)動力力矩進(jìn)行計算。著重闡述了機(jī)身的設(shè)計，具體闡述了機(jī)械手的設(shè)計原則和步驟，分析了設(shè)計時應(yīng)注意的問題，并對機(jī)械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細(xì)的論述。設(shè)計并分析了該機(jī)械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識有限，難免有誤，有待改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手；液壓；驅(qū)動力；定位精度
ABSTRACT
With the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Key phrase manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy
目 錄
摘要 ………………………………………………………………………… I
緒論 ………………………………………………………………………… 1
1 工業(yè)機(jī)械手的概述 ………………………………………………… 3
1.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 ……………………………………………… 3
1.2 工業(yè)機(jī)械手的組成 ……………………………………………… 4
1.3 機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式 ……………………………………… 5
2 自動上下料機(jī)械手的總功能原理及各部分設(shè)計 …………………… 7
2.1 功能原理設(shè)計 ……………………………………………………… 7
2.2 手部設(shè)計 …………………………………………………………… 7
2.2.1手部設(shè)計要求 ………………………………………………… 8
2.2.2手部結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 8
2.2.3 夾持式手爪的計算 …………………………………………… 11
2.3、腕部設(shè)計 ………………………………………………………… 13
2.3.1 腕部設(shè)計要求 ………………………………………………… 13
2.3.2 腕部結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 14
2.4 臂部設(shè)計 ………………………………………………………… 15
2.4.1臂部的設(shè)計要求 ……………………………………………… 15
2.4.2臂部的結(jié)構(gòu) …………………………………………………… 20
2.4.2.1 臂部的伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu) ………………………………… 20
2.4.2.2 臂部的伸縮油缸的計算 ……………………………… 21
2.4.2.3 臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 ……………………………………… 23
2.4.2.4 臂部的升降運(yùn)動 ……………………………………… 24
2.4.2.5 臂部升降油缸的計算 …………………………… 25
3 機(jī)械手的其它部分裝置……………………………………………… 28
3.1 行程限位裝置 ……………………………………………… 28
3.2 緩沖定位裝置 ……………………………………………… 28
4 機(jī)械手的總體方案總結(jié) ………………………………………………… 30
4.1 傳動方案的確定 ………………………………………………… 30
4.2 規(guī)格參數(shù) …………………………………………………… 30
4.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) …………………………………………………… 30
4.4 機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng) …………………………………… 32
4.5 機(jī)械手的緩沖與定位 ……………………………………… 34
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 35
致謝 ……………………………………………………………… 36
附錄
第IV頁
沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會進(jìn)入了一個以自動化和電子技術(shù)為標(biāo)志的新時代。自動化機(jī)械大量應(yīng)用于工業(yè)工程中，其中工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用最為廣泛。工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動作的機(jī)器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。
本論文介紹了用于夾持外圓件的上下料機(jī)械手的設(shè)計。它采用液壓驅(qū)動，點(diǎn)位程序控制，動作平穩(wěn)，控制方便。
本論文主要闡述該機(jī)械手的升降和回轉(zhuǎn)的設(shè)計和計算。首先從機(jī)械手的基礎(chǔ)知識介紹有關(guān)機(jī)械手的組成、分類、腕部及臂部設(shè)計、液壓控制的多種方案，再從本次設(shè)計所要求的功能原理設(shè)計開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案，在對其的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對其驅(qū)動力和驅(qū)動力力矩進(jìn)行計算。著重闡述了機(jī)身的設(shè)計，具體闡述了機(jī)械手的設(shè)計原則和步驟，分析了設(shè)計時應(yīng)注意的問題，并對機(jī)械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細(xì)的論述。設(shè)計并分析了該機(jī)械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識有限，難免有誤，有待改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手；液壓；驅(qū)動力；定位精度
ABSTRACT
With the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Key phrase manipulator； liquid presses； driving force； fixed position accuracy
目 錄
摘要 ………………………………………………………………………… I
緒論 ………………………………………………………………………… 1
1 工業(yè)機(jī)械手的概述 ………………………………………………… 3
1.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 ……………………………………………… 3
1.2 工業(yè)機(jī)械手的組成 ……………………………………………… 4
1.3 機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式 ……………………………………… 5
2 自動上下料機(jī)械手的總功能原理及各部分設(shè)計 …………………… 7
2.1 功能原理設(shè)計 ……………………………………………………… 7
2.2 手部設(shè)計 …………………………………………………………… 7
2.2.1手部設(shè)計要求 ………………………………………………… 8
2.2.2手部結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 8
2.2.3 夾持式手爪的計算 …………………………………………… 11
2.3、腕部設(shè)計 ………………………………………………………… 13
2.3.1 腕部設(shè)計要求 ………………………………………………… 13
2.3.2 腕部結(jié)構(gòu) ……………………………………………………… 14
2.4 臂部設(shè)計 ………………………………………………………… 15
2.4.1臂部的設(shè)計要求 ……………………………………………… 15
2.4.2臂部的結(jié)構(gòu) …………………………………………………… 20
2.4.2.1 臂部的伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu) ………………………………… 20
2.4.2.2 臂部的伸縮油缸的計算 ……………………………… 21
2.4.2.3 臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動 ……………………………………… 23
2.4.2.4 臂部的升降運(yùn)動 ……………………………………… 24
2.4.2.5 臂部升降油缸的計算 …………………………… 25
3 機(jī)械手的其它部分裝置……………………………………………… 28
3.1 行程限位裝置 ……………………………………………… 28
3.2 緩沖定位裝置 ……………………………………………… 28
4 機(jī)械手的總體方案總結(jié) ………………………………………………… 30
4.1 傳動方案的確定 ………………………………………………… 30
4.2 規(guī)格參數(shù) …………………………………………………… 30
4.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) …………………………………………………… 30
4.4 機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng) …………………………………… 32
4.5 機(jī)械手的緩沖與定位 ……………………………………… 34
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………… 35
致謝 ……………………………………………………………… 36
附錄
緒 論
在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域里，材料的搬運(yùn)、機(jī)床的上下料、整機(jī)的裝配等是十分重要的工作環(huán)節(jié)，而實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本。用自動化機(jī)械代替人的工作可以減少事故的發(fā)生。工業(yè)機(jī)械手就是為了實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動化而設(shè)計的。
自動化上下料裝置是散亂的中小型工件毛坯經(jīng)過定向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定向排列，然后順次地由上、下料機(jī)構(gòu)把它送到機(jī)床或工作位置去，并把工件取走。如工件教大，形狀復(fù)雜，很難實(shí)現(xiàn)自動定向，則往往通過人工定位后，再有上下料機(jī)構(gòu)送到工作地點(diǎn)去。
在成批大量生產(chǎn)中，尤其要求在生產(chǎn)率很高，機(jī)動工時很短的情況下，單純的上下料裝置很難滿足要求，機(jī)械手就是在上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械裝置。開始主要用來實(shí)現(xiàn)自動上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動化和生產(chǎn)線自動化。隨著應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已用來操作工具和完成一定工作，減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高生產(chǎn)效率。
目前我國研制使用的工業(yè)機(jī)械手大多數(shù)是屬于專用機(jī)械手，僅有少量的通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手改變工作程序比較方便，特別適用于多品種、小批量的生產(chǎn)。
通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有二十來年的歷史。這些裝置在國外得到相當(dāng)重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制出了各種具有感覺器官的工業(yè)機(jī)器人。
我所設(shè)計的是生產(chǎn)線用上料機(jī)械手。是為精鍛機(jī)設(shè)計的配套自動送取鍛料設(shè)備。屬于圓柱坐標(biāo)式，全液壓驅(qū)動機(jī)械手，具有手臂升降，收縮，回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)4個自由度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部,手腕，手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂升降機(jī)構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。它開始工作是被加熱的坯料由運(yùn)輸車送2到上料位置后，自動上料機(jī)械手3將熱坯料搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)1上鍛打，其成品鍛件由下料機(jī)械手4從立式精鍛機(jī)上取下并送到轉(zhuǎn)換機(jī)械手5上，轉(zhuǎn)換機(jī)械手先把鍛件翻轉(zhuǎn)成水平位置，由炳烷切割裝置6將兩端切齊，切割完畢，轉(zhuǎn)換機(jī)械手的手臂再水平回轉(zhuǎn)，將鍛件水平放置到下料運(yùn)輸裝置7上，運(yùn)送到車間外面的料倉庫進(jìn)行冷卻。自動上料機(jī)械手3在此精鍛生產(chǎn)線上可以完成取料、喂料和變換工位等動作。其配置如圖。
自動上料機(jī)械手配置示意圖 1 工業(yè)機(jī)械手的概述
1．1、工業(yè)機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手目前在國內(nèi)是專用機(jī)械手和通用機(jī)械手的統(tǒng)稱。
專用機(jī)械手是指附屬于主機(jī)、動作程序固定，一般沒有獨(dú)立控制系統(tǒng)，只做專門用途的自動抓取或操作裝置。
通用機(jī)械手（國外泛稱工業(yè)機(jī)器人）是指程序可變的、獨(dú)立的、自動化的抓取或操作裝置。
目前多機(jī)械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各地區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩方面進(jìn)行分類：
（一） 按搬運(yùn)的工件重量（或稱臂力）分類
1． 小型的——臂力在1公斤以下；
2． 中型的——臂力在1~30公斤以內(nèi)：
3． 大型的——臂力在30公斤以上。
目前大多數(shù)的工業(yè)機(jī)械手其搬運(yùn)重量為中型的。
（二） 按機(jī)能分類
1． 簡易型通用機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。
這種機(jī)械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點(diǎn)位控制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)工作也完全夠。目前這種機(jī)械手的數(shù)量最多。
2． 示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者預(yù)先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯）把程序記錄下來，以后機(jī)械手就自動按記憶的程序，重復(fù)地進(jìn)行循環(huán)動作。
這種機(jī)械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機(jī)械手可有較多的自由度，有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。
3． 具有視覺、觸覺的通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由電子計算機(jī)控制，裝有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感、觸覺等。
1.2、工業(yè)機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。
（一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
它包括手部、腕部、臂部、立柱和基體等構(gòu)件組成：
1．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。夾持式手爪的形式和人的手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤（相當(dāng)于手爪），用來吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪還可以夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。
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(yùn)動。特殊情況下可以增加一個橫向移動。有的機(jī)械手沒有手腕動作。
3．臂部——是支撐手部、腕部的構(gòu)件。機(jī)械手的臂部是為了取代人的手臂而研究設(shè)計的，但是它卻達(dá)不到象人手臂的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運(yùn)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)。一般手臂具有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動等幾個運(yùn)動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運(yùn)動。
4．立柱——是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機(jī)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。
5．行走機(jī)構(gòu)——機(jī)械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)。
（二）驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部的動力源。它有氣動、液壓、電力和機(jī)械式等四中形式，由直線缸、回轉(zhuǎn)缸、各種閥、管及管接頭等組成。
（三）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，它是支配機(jī)械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運(yùn)動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動作順序，到達(dá)位置和時間信息）。機(jī)械手工作時根據(jù)這些信息對機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時還可以多機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出警告信號。
（四）行程位置檢測裝置
行程位置檢測裝置的作用是控制機(jī)械手每個運(yùn)動的運(yùn)動位置，或?qū)⑦\(yùn)動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)位置精度的要求。
（五）輔助裝置
1．基體——是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件，驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基體上，它起支撐作用。
2．油箱——用來儲存油和供油的裝置，并使油散熱和雜質(zhì)沉淀。
3．氣缸——貯存壓縮空氣。
1.3、機(jī)械手的自由度與坐標(biāo)形式
機(jī)械手的運(yùn)動可分為整機(jī)運(yùn)動、本體運(yùn)動、臂部運(yùn)動、腕部運(yùn)動、每個運(yùn)動坐標(biāo)稱為自由度。
一個機(jī)械手有幾個運(yùn)動就叫有幾個自由度。手爪的抓取動作（指的是手爪的夾緊和松開）不計在自由度數(shù)目內(nèi)。
1．整機(jī)運(yùn)動
是指整個機(jī)械手作為一個整體運(yùn)動，如整機(jī)行走。
2．本體運(yùn)動
是指機(jī)械手的本體部分運(yùn)動，如本體橫向運(yùn)動（整個手臂沿Y坐標(biāo)軸的移動），可參看圖1-1。
3．臂部運(yùn)動
臂部一般有三個自由度，即臂部直線運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動和上下擺動運(yùn)動。它分四種坐標(biāo)形式，即：
圖1-2 四種坐標(biāo)形式示意圖
直角坐標(biāo)式用（X、Y、Z）表示，機(jī)械手的臂部可做前后、左右、升降三個移動，如圖1-2a所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，但慣性較大，占用的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。
圓柱坐標(biāo)式用（X、Z、C）表示，見圖1-2b，它有二個移動（伸縮和升降）和一個轉(zhuǎn)動。這種坐標(biāo)直觀性較好，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間較小，動作范圍較大，是應(yīng)用最多的一種。
球坐標(biāo)式用（X、B、C）表示，見圖1-2c，它有一個移動（手臂伸縮）和兩個轉(zhuǎn)動（左右回轉(zhuǎn)和上下擺動）。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動作范圍比圓柱坐標(biāo)式更大，在通用機(jī)械手中應(yīng)用較多。
多關(guān)節(jié)式用（、、）表示，見圖1-2d，它有三個轉(zhuǎn)動（左右旋轉(zhuǎn)、兩個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運(yùn)動件的慣性較小，本體占空間不大，而動作范圍大，并且可以繞過障礙物抓區(qū)工件，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置精度難于控制，故應(yīng)用比較少。
4．腕部運(yùn)動
基本上有三個自由度，如圖1-3所示。繞X軸的運(yùn)動叫回轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞Y軸轉(zhuǎn)動叫俯仰運(yùn)動；繞Z軸運(yùn)動叫左右擺動。
要確定抓區(qū)工件的空間點(diǎn)位及方位坐標(biāo)，有臂部三個自由度和腕部三個自由度就足夠了。
圖1-3 手腕運(yùn)動示意圖
2 上下料機(jī)械手的總功能原及各部分的設(shè)計
2.1、功能原理設(shè)計
功能原理設(shè)計是針對某一確定的功能要求，尋求一些物理效應(yīng)并且借助某些作用原理來求得一些實(shí)現(xiàn)該原理的解法原理。其特點(diǎn)是對于某一產(chǎn)品的特定的工作能力進(jìn)行抽象化描述，是指某一機(jī)器所有的轉(zhuǎn)化能量特性和其他物理特性。其描述方法較像工程學(xué)中常用的“黑箱”法來描述。
任何一個技術(shù)系統(tǒng)中都有輸入和輸出，把技術(shù)系統(tǒng)抽象成黑箱。起輸入用物料流M、信息流S、和能量流E、來描述其輸出用相應(yīng)的M`、S`和E`來描述。
操作指令 S S’ 顯 示
物 料M M’送到機(jī)床
電 氣 能E
功能原理設(shè)計是一種綜合。綜合是不能有任何方法可循的。它能要求解決的問題是有很多 解的問題。它既不是只有唯一解，又不是絕對無解，而且也很難得到絕對理想的解。一般來說，在構(gòu)思階段，應(yīng)盡可能收集各種可能的解法，以便在眾多的解法中選出較多滿意的解決方法來。
總功能分解成若干個功能元素為：
夾持 → 松開 → 上升 → 下降
伸 → 縮 → 轉(zhuǎn)位 → 復(fù)位
根據(jù)仿生學(xué)的原理，機(jī)械手的功能單元可以分為：
A：手指——夾緊、松開工件；
B：手腕——回轉(zhuǎn)、平移、俯仰等功能；
C：手臂——伸縮使工件沿直線運(yùn)動；
D：底座（機(jī)身）——升降手臂，回轉(zhuǎn)手臂；
E：緩沖器于定位——回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、緩沖、定位；
F：電氣控制部分——控制各部分協(xié)調(diào)動作；
2.2、手部設(shè)計
機(jī)械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.2.1手部設(shè)計要求：
1．手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動或脫落；
2．夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的極限位置所擺動的角度）應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍；
3．夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質(zhì)墊片等；
4．夾持動作要迅速、靈活；
5．手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
2.2.2手部的結(jié)構(gòu)
手爪的類型大致分為下列三種：
1．夾持式手爪：根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
2．吸附式手爪：分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
3．帶視覺或觸覺的手爪。
根據(jù)所設(shè)計課題的要求，該機(jī)械手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺或觸覺的手爪。所以重點(diǎn)在于夾持式手 圖2-1杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)
爪。
下面介紹一些常用的夾持式手爪結(jié)構(gòu)。
1． 杠桿滑槽式手抓結(jié)構(gòu)
圖2-1是其一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，它通過活塞桿1的銷2推動手爪使之張開，活塞向右移動使手爪閉合。圖2-2也是一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，其原理同圖2-1一樣，只是工件形狀不同 手爪夾持部分改變相應(yīng)形狀。
圖2-3是適用于夾持模鍛或鑄造的毛坯的杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)。毛坯上的拔模斜度往往造成夾緊后在移動過程中從手爪中甩掉，所以增加了一塊背板，并用平頭螺釘壓住，調(diào)整合理的間隙，使其手爪只能按夾緊的方向運(yùn)動而不致扭動。在背板上安裝三個彈性定位銷，以保證工件的穩(wěn)定
圖2-2 夾持菱形工件 定位，在手爪上安裝的V形活動鉗口，可根據(jù)夾持不同直徑的工件進(jìn)行更換。
杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較多，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、手爪開閉角度大、夾持工件范圍較大。
2． 連桿式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-4是其一種連桿手爪結(jié)構(gòu)，它有兩副手爪，分別抓在已加工的兩個軸頸上，手爪的夾緊與松開，由油缸和杠桿機(jī)構(gòu)帶動，杠桿連接于活塞桿末端，當(dāng)活塞上下運(yùn)動時通過杠桿的作用驅(qū)使手爪夾緊與松開，以便完成抓取動作，工件在手爪內(nèi)可以自由擺動，借其本身重心位置，使彎頭總是向下方。
圖2-3 杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-4連桿式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-5是抓取兩個工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，設(shè)計應(yīng)用單向活塞以簡化油路。圖示位置為夾緊狀態(tài)，靠彈簧松開工件。
圖2-6是為抓取短臺階式圓形零件而設(shè)計的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，為了減少由于偏重力矩而引起夾緊不穩(wěn)的情況，在手爪上設(shè)計了一個支持小圓柱形臺階的托板。
圖2-5 抓取兩個工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-6連桿式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-7是為既可抓取大直徑的工件，又可以抓取小直徑的圓柱形工件而設(shè)計的雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu)。從圖2-7中看出，活塞的運(yùn)動在抓取不同直徑的工件時是不一樣的。當(dāng)抓取小直徑工件時，活塞是向下夾緊，向上是松開，如圖2-7b，當(dāng)抓取大直徑工件時，如圖2-7a所示，則活塞向上是夾緊，向下是松開。
上面介紹的幾種結(jié)構(gòu)所夾持的工件，都是圓形或者是對稱物體，對于非對稱或者異形的工件，
需要對手爪做相應(yīng)的設(shè)計。圖2-8是夾持非對稱工件的手爪結(jié)構(gòu)圖，為了簡化管路設(shè)計，采用單向活塞，用彈簧推動活塞使手爪松開。
圖2-7 雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu)
連桿式手爪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是夾緊力大，各機(jī)件間的連接用圓柱銷，磨損較小，若設(shè)計得當(dāng)可自鎖。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，手爪開閉角度較小，適用于抓取重量較大的工圖2-8連桿式手爪結(jié)構(gòu) 件。
3．齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-9是齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖，可用液壓或氣壓驅(qū)動，夾緊油缸圖2-9 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
活塞桿上加工出齒條，當(dāng)活塞向左移動推動中間齒輪旋轉(zhuǎn)，中間齒輪又帶動扇形輪夾緊工件。圖示位置為夾緊狀態(tài)，若前腔進(jìn)油則使手爪松開。
圖2-10是夾持板塊用齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)，為了保持較大的夾緊力和手爪運(yùn)動時保持平行移動，采用了雙支承板結(jié)構(gòu)。
圖2-11是用彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖。它是由活塞桿上的齒條，直接推動扇形輪爪，而使輪爪松開。在彈簧的拉力下使手爪常處于夾緊狀態(tài)。
圖2-12是另外一種常彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)。它
圖2-10 夾持方形工件齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 是在活塞桿上安裝圓形齒條，當(dāng)活塞向右移動，齒條推動軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，而在軸上的小齒輪上鑲個扇形輪，扇形輪旋轉(zhuǎn)帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動爪體往中心平行移動，使手爪卡緊工件。當(dāng)需要松開時，驅(qū)動源壓力消失，由于爪體內(nèi)兩個彈簧力推動向外移動，推動相應(yīng)齒輪系反響旋轉(zhuǎn)，與活塞內(nèi)彈簧力一起使手爪松開。 圖2-11 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是動作靈活，手爪開閉角度大，夾持范圍大，但 是齒輪齒條結(jié)構(gòu)，兩個齒輪對稱性的調(diào)整比較困難，這種結(jié)構(gòu)夾緊力小，因此多適用于中小型重量的工件。
除了以上幾種手爪結(jié)構(gòu)外，還有錐體圖2-12 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu) 杠桿式手爪，長軸多爪式手爪結(jié)構(gòu)，平移式手爪結(jié)構(gòu)，錐體杠桿式內(nèi)孔夾持手爪等。
2.2.3 夾持式手爪的計算
1．夾緊力的計算
夾緊力
式中：
——安全系數(shù)一般取1.2~2；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？梢越?
的按下式估算，，其中為被抓取工件的最大加速度，為重力加速度；
——方位系數(shù)；
——被抓取工件的重量 kg。
根據(jù)本次所設(shè)計的手爪結(jié)構(gòu)
設(shè) =1.5，
所以 =2.56 KN
取
2．確定油缸直徑D
因?yàn)?
選取活塞桿直徑d=0.47D，壓力油工作壓力，
所以 mm
根據(jù)油缸內(nèi)徑系列（GB2348-80）取油缸內(nèi)徑為
則活塞桿直徑為：
2.3、腕部設(shè)計
腕部是連接手部和臂部的構(gòu)件，它有獨(dú)立的自由度，使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜動作的要求。
腕部的動作有繞X軸運(yùn)動稱為回轉(zhuǎn)；繞Y軸運(yùn)動稱為俯仰；繞Z軸運(yùn)動稱為左右擺動；還可有沿Y軸方向移動的自由度。
2.3.1腕部的設(shè)計要求：
1．腕部自由度的選取
在臂部運(yùn)動的范圍內(nèi)，當(dāng)可以滿足抓取工件和傳送工件等要求時，應(yīng)盡可能不設(shè)計腕部的運(yùn)動。這樣，則可使機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和成本降低。
根據(jù)抓取對象和機(jī)械手的坐標(biāo)形式的需要，可增加腕部的自由度。如腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，這是在手爪夾持工件后，需要翻轉(zhuǎn)角度，或者機(jī)械手從一個工位轉(zhuǎn)到另一個工位時，需要工件翻轉(zhuǎn)。若是采用臂部回轉(zhuǎn)則使機(jī)械手的穩(wěn)定性降低，因?yàn)?，臂部長度大，回轉(zhuǎn)時少有偏心（特別是高速回轉(zhuǎn)時），使機(jī)械手的離心力增加，臂部振動加大，影響定位精度。因此，應(yīng)設(shè)計腕部的回轉(zhuǎn)。若機(jī)械手是球坐標(biāo)形式，腕部應(yīng)設(shè)計具有俯仰運(yùn)動，以保證手爪處于水平位置，不影響手爪的工作。
還要根據(jù)加工工藝的要求，設(shè)計腕部在Y軸方向的移動運(yùn)動。如機(jī)械手將工件送到某一工位后，需要把工件定位夾緊，為使機(jī)床運(yùn)動簡化，而要求腕部沿Y軸方向做少量的移位的運(yùn)動。如用頂尖支承的軸類零件，在用機(jī)械手取下工件時，為脫離主軸頂尖而需要有腕部的橫移運(yùn)動。
總之，腕部自由度的選取應(yīng)在臂部自由度確定以后，再根據(jù)工件的料道位置、工藝要求、應(yīng)用范圍及制造成本等方面的綜合分析，以確定最佳的方案，確定出腕部合適的自由度數(shù)。
2．腕部的動作要靈活、自重要輕
在設(shè)計腕部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡單緊湊，減輕結(jié)構(gòu)的重量。機(jī)械手配合機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，腕部的動作時間往往在幾秒鐘以內(nèi)，甚至不超過一秒，所以腕部一定要靈活，在保證構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的條件下，回轉(zhuǎn)件盡量采用滾動軸承或滾柱，減少阻力，降低摩擦。
3． 腕部運(yùn)動位置要準(zhǔn)確
手腕的回轉(zhuǎn)、俯仰與左右擺動等運(yùn)動位置都要求準(zhǔn)確，除對零部件配合精度嚴(yán)格要求以外，要采取措施消除傳動部件之間的間隙。根據(jù)需要可設(shè)置位置檢測元件，來控制手腕的準(zhǔn)確位置。
2.3.2腕部的結(jié)構(gòu)：
1．腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)
（1）用回轉(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)小于的回轉(zhuǎn)運(yùn)動
用回轉(zhuǎn)缸的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，圖2-13是其 圖2-13手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖
應(yīng)用的一例。圖中件號9為回轉(zhuǎn)油缸的動片，它的回轉(zhuǎn)帶動兩手爪6驅(qū)使工件翻轉(zhuǎn)或。應(yīng)用回轉(zhuǎn)缸使腕部回轉(zhuǎn)的機(jī)械手較多，因其結(jié)構(gòu)簡單。
（2）用齒輪齒條實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
圖2-11是其中一種結(jié)構(gòu)圖，它的動作過程是：兩個手爪與齒輪軸7連在一起，當(dāng)發(fā)出回轉(zhuǎn)信息后，液壓油推動活塞桿8移動，活塞桿的齒條推動齒輪軸7使手爪回轉(zhuǎn)。
2．腕部左右擺動結(jié)構(gòu)
根據(jù)工件的工藝要求，需要手腕做左右擺動。對于抓取非中心對稱的工件，當(dāng)手臂回轉(zhuǎn)時，工件方位變化，往往需要用手腕左右擺動予以補(bǔ)償。
本次設(shè)計的機(jī)械手，它的腕部只需實(shí)現(xiàn)小于的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此可以采用回轉(zhuǎn)油缸。圖2-14是實(shí)現(xiàn)該腕部運(yùn)動的回轉(zhuǎn)油缸的截面圖?；剞D(zhuǎn)油缸的兩個油孔分別進(jìn)壓力油時，推動動片連同轉(zhuǎn)套一起回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)套的端部通過牙嵌
式聯(lián)軸器把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到回轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸端部的法蘭盤與手部用螺釘聯(lián)結(jié)，故手部和轉(zhuǎn)套即實(shí)現(xiàn)手部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。手腕回轉(zhuǎn)油缸其擺角可達(dá)，實(shí)際使用為，其位置檢測由行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)，并由擋塊定位。
圖2-14 手腕回轉(zhuǎn)油缸截面圖
為了使手部夾持熱工件的手指遠(yuǎn)離油缸，此處采用了隔離套，減少熱鍛件的熱量對油液的影響，以保證油缸的正常工作和密封。
2.4、臂部設(shè)計
臂部是機(jī)械手完成各項(xiàng)動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是其運(yùn)動部分的主體。
在上面分析了機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式，綜合這四種坐標(biāo)形式運(yùn)動的目的，是想達(dá)到人的手臂的功能，但是目前技術(shù)還是做不到的，因而把運(yùn)動方式轉(zhuǎn)化為直線移動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣臂部的結(jié)構(gòu)也就比較簡單了。臂部和機(jī)座相連，可固定在地面上、機(jī)器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機(jī)架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。
臂部的作用在于將手爪移動到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結(jié)構(gòu)性能、工作范圍、承載能力和動作位置精度直接影響機(jī)械手的工作性能。
臂部一般有以下幾部分組成：
（1）動作元件：如直線缸、回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅(qū)動手臂運(yùn)動的元件。動作元件與驅(qū)動源相配合，就能實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)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M。在運(yùn)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。
（2）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。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動。
（4）其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測機(jī)構(gòu)……等。
2.4.1 臂部設(shè)計要求
臂部設(shè)計首先要求實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動，為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動，需要滿足下列幾項(xiàng)要求。
1．臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕
根據(jù)上述要求，在設(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（應(yīng)當(dāng)指出機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)不是懸臂梁）的撓度計算公式為：
式中：——撓度；
——彈性模數(shù)；
——載荷；
——慣性矩；
——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。在與值已確定的情況下，只有增大值，才能減少梁的彎曲變形，而碳鋼和合金鋼的值差別不大，在之間。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?，F(xiàn)把幾種常用梁的慣性矩列表比較如下（見表2-1）。
從表2-1可知，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圓鋼大得多，所以，機(jī)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。
名稱
截 面 形 狀
截 面 積（）
每米重量
慣性矩
為圓鋼的幾倍
圓鋼
鋼管
工字鋼
（16號斷面）
槽鋼
（20號斷面）
表2-1 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例） 為了加大剛性，還應(yīng)該采取以下措施：
（1）在設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單。要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理確定補(bǔ)償環(huán)，以減少重要部位的間隙，從而提高剛性。
（2）全面分析手臂的受力情況，合理分配給手臂的各個部件，避免不利的受力情況出現(xiàn)；
（3）水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時提高其配合和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或大部分自重和抓取重量；
（4）提高活塞和剛體內(nèi)部配合精度，可以提高手臂在前伸縮時的剛性。
2．臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小機(jī)械手的運(yùn)動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生
圖2-15手臂運(yùn)動過程曲線
產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運(yùn)動速度（或角速度）。在一般情況下，手臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運(yùn)動（V和ω為常數(shù)），但在手臂的起動和終止的瞬間，運(yùn)動是變化的。為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。手臂的運(yùn)動過程曲線如圖2-15所示。
圖中所示的A點(diǎn)為起動位置；B點(diǎn)為開始緩沖位置；C點(diǎn)為行程終點(diǎn)；和為起動時間；和為制動（緩沖）時間；和為運(yùn)動周期。
圖2-15a所示，為機(jī)械手的運(yùn)動部分到達(dá)行程終點(diǎn)的瞬間，加速度的值依然很大（圖示的或），因此，慣性力必然很大，這勢必引起強(qiáng)烈的沖擊，這樣的運(yùn)動曲線應(yīng)該設(shè)法消除的。
若將該機(jī)械手的運(yùn)動過程按圖b所示，并設(shè)=，行程相等（即兩條速度曲線，所包含的面積相等），則（或）必然大于（或）。按圖b所示的過程運(yùn)動時（或）小于（或），并且在行程終點(diǎn)的加速度值為零，因此停止的瞬間是無沖擊的，這是較理想的運(yùn)動方式，但是，因加速度是變化的，設(shè)計時也比較復(fù)雜。
對于高速運(yùn)動的機(jī)械手，為了滿足動作節(jié)拍的要求，其最大移動速度設(shè)計在1000~1500毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180度/秒內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動速度為1000毫米/秒左右，平均回轉(zhuǎn)角速度為90度/秒左右。
如果在圖2-15中減少起動時間和制動（緩沖）時間，則可縮短整個運(yùn)動時間，提高生產(chǎn)率。但是縮短和就會增加沖擊力，影響機(jī)械手的定位精度。所以，必須采取減少慣性沖擊力的有效措施。
手臂伸縮時產(chǎn)生的慣性力為：
式中： m ——質(zhì)量；
a ——加速度；
G ——手臂運(yùn)動件重量；
g ——重力加速度（9.81米/秒2）；
——起動或制動前后的速度差；
——起動或制動所需的時間；
手臂回轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的慣性力矩為：
式中：
——角加速度；
——起動或制動前后的角速度差；
J ——臂部回轉(zhuǎn)對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量；
——臂部零件對其重心的轉(zhuǎn)動慣量；
——臂部零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。
——回轉(zhuǎn)半徑。
計算時，可以把形狀復(fù)雜的零件劃分為幾個簡單的幾何形狀來計算。在有關(guān)書中可分別查出其的計算公式。
從上述公式可知，減少慣性力矩，可采用下列措施：
（1） 減少手臂運(yùn)動部件的重量，如采用鋁合金等輕質(zhì)材料；
（2） 減少手臂運(yùn)動件的輪廓的尺寸，使手臂結(jié)構(gòu)緊湊小巧；
（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，在按排動作順序時，一般是先縮會再回轉(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)中加緩沖裝置。
3．臂部動作要靈活
要使手臂運(yùn)動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式機(jī)械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支撐中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機(jī)械手，應(yīng)使兩臂布置盡量對稱以達(dá)到平衡。
4．位置精度要高
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，還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機(jī)構(gòu)，來控制手臂運(yùn)動的位置精度；還要減少或消除各傳動、嚙合件的間隙。
2.4.2臂部結(jié)構(gòu)
手臂的運(yùn)動是整個機(jī)械手運(yùn)動的關(guān)鍵。本次設(shè)計的機(jī)械手，手臂需要完成三個運(yùn)動，即手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。
2.4.2.1 臂部伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu)
手臂的伸縮運(yùn)動是一種往復(fù)的直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動可以采用往復(fù)直線液壓缸結(jié)構(gòu)、多級油缸結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、直線缸和齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)等。
（1） 往復(fù)直線缸結(jié)構(gòu)
圖2-16 往復(fù)式直線油缸結(jié)構(gòu)
在機(jī)械手中，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動采用直線缸結(jié)構(gòu)的最多。圖2-16所示為該機(jī)械手所采用的一種手臂，它也是往復(fù)直線油缸結(jié)構(gòu)?；钊麠U的一端固定在中間架體上，油缸固定在滑枕上。當(dāng)壓力油經(jīng)油孔a、b分別進(jìn)入油缸的兩腔時，油缸體帶動滑枕在燕尾形導(dǎo)軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動，其行程大小靠擋塊和組合行程開關(guān)來調(diào)整，伸出端裝有可調(diào)式定位螺釘
，確保定位精度。手臂伸縮的導(dǎo)向裝置采用燕尾形滑枕，導(dǎo)向性好，手臂剛度大，工作是運(yùn)動平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管型式，保護(hù)了油管，但是工藝性較差。
（2）多級油缸結(jié)構(gòu)
這種油缸用在傳送機(jī)構(gòu)上較好，用在機(jī)械手上，其活塞桿的剛性不好，撓度大，影響位置精度。
（3）滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
有的機(jī)械手用電機(jī)帶動滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)手臂的直線傳動。
滾珠絲杠與油缸驅(qū)動相比有下述優(yōu)點(diǎn)：
滾珠絲杠的摩擦損失小，一般其傳動效率在90%以上；滾珠絲杠靈敏性高，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；由于電機(jī)直接（或經(jīng)減速齒輪組）連接絲杠，絲杠直接傳動，故油缸剛性好；用于同樣的距離，滾珠絲杠占用空間更小。
滾珠絲杠的缺點(diǎn)是成本高，由于滾珠絲杠的傳動效率高，所以基本上沒有自鎖作用。
2.4.2.2．臂部伸縮油缸的計算
（1）液壓缸主要參數(shù)的確定
液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力F=12000N
——液壓缸的機(jī)械效率，一般取=0.95
，
則
按標(biāo)準(zhǔn)取 d=40mm ；D=80mm
則液壓缸的有效面積
無桿腔
有桿腔
（2）缸筒壁厚計算
一般按薄壁缸筒計算，壁厚按下式確定
式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m）；
p——液壓缸最高工作壓力（MPa）；
——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa），=；
——材料的抗拉強(qiáng)度極限（MPa）；
n ——安全系數(shù)，一般可取5。
設(shè)計壁厚為，足以滿足要求。
（3）活塞桿直徑計算
取d=40mm
按強(qiáng)度條件校核
現(xiàn)d=40mm>9.28
所以強(qiáng)度滿足要求。
（4）液壓缸的流量計算
流量
有桿腔
則
2.4.2.3．臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動
臂部的運(yùn)動，除了手臂的前后伸縮運(yùn)動外還有回轉(zhuǎn)運(yùn)動。本次設(shè)計的機(jī)械手，它的臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是一種單回轉(zhuǎn)運(yùn)動。有的機(jī)械手不是單回轉(zhuǎn)運(yùn)動而是復(fù)合式的運(yùn)動，在此不考慮復(fù)合運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)單回轉(zhuǎn)運(yùn)動可以有以下幾種方案。
（1）回轉(zhuǎn)缸
回轉(zhuǎn)缸又稱擺動缸。應(yīng)用回轉(zhuǎn)油缸要比齒輪齒條帶動機(jī)械手回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡單，輕巧美觀。但是，由于回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達(dá)不到要求，就會造成嚴(yán)重泄漏，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須嚴(yán)加密封。
（2）齒輪齒條直線缸回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)齒輪齒條結(jié)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)運(yùn)動，帶動齒輪回轉(zhuǎn)，其驅(qū)動源可以是液壓或氣壓驅(qū)動。
（3）回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu)
它是由回轉(zhuǎn)油缸（擺角），動片與轉(zhuǎn)軸固接在一起，轉(zhuǎn)軸用鍵與行星齒輪聯(lián)結(jié)，中心輪套在基座上，中心輪是固定不動的。回轉(zhuǎn)油缸與手臂固結(jié)在一起。驅(qū)動回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)又帶動手臂繞O-O軸回轉(zhuǎn)，形成轉(zhuǎn)臂，故行星輪，中心輪和手臂組成一個行星輪系。這個傳動是降速的，如行星輪回轉(zhuǎn)為角度，則手臂轉(zhuǎn)角為：
式中：
——行星輪的齒數(shù)；
——中心輪的齒數(shù)。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：由于它的回轉(zhuǎn)傳動是降速的，因此扭矩大，同時定位精度也較高；它裝在外部調(diào)整使用方便，維修容易。
（4）鏈條鏈輪結(jié)構(gòu)
圖2-19是單缸驅(qū)動的鏈條鏈輪回轉(zhuǎn)運(yùn)動示意圖。若壓力油從缸的左側(cè)進(jìn)入，推動活塞向右運(yùn)動，這樣，驅(qū)使輸出回轉(zhuǎn)順時針回轉(zhuǎn)。反之，壓力油從油缸右側(cè)進(jìn)入，推動活塞左移，鏈條經(jīng)鏈輪使輸出軸沿逆時針回轉(zhuǎn)。
通過對以上幾種方案的了解和論證，回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu)的方案最優(yōu)。該機(jī)械手的臂部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)。
2.4.2.4．臂部升降運(yùn)動
一般圓柱坐標(biāo)式，直角坐標(biāo)式有升降運(yùn)動，球坐標(biāo)式有時為了增加提高高度，也有升降運(yùn)動。由于本次設(shè)計的機(jī)械手采用的圓柱坐標(biāo)式，所以，手臂的升降運(yùn)動是必不可少的。
（1）升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)配置形式
a．升降機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)座內(nèi)
對于中小型規(guī)格機(jī)械手，多采用這種結(jié)構(gòu)，手臂靠自重下降。
b．升降機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)座上方
一些機(jī)械手的升降行程比較大，需設(shè)計立柱式結(jié)構(gòu)，支撐升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其輪廓尺寸相對比較大。但是在升降行程較大的情況下，手臂懸伸在最大位置時，使手臂對驅(qū)動點(diǎn)的偏重力矩很大，不利于升降運(yùn)動。圖2-20為其機(jī)構(gòu)示意圖。
c．升降機(jī)構(gòu)放在可縮放的
機(jī)構(gòu)的平臺上
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是整個機(jī)形高度可以較低，手臂的高度大致就是機(jī)械手的高度，手臂回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量可以較小，不需升降導(dǎo)向支撐，結(jié)構(gòu)比較緊湊，提升行程大。
圖2-21 升降機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)座上方
d．升降機(jī)構(gòu)采用直線缸
本次設(shè)計的機(jī)械手手臂升降機(jī)構(gòu)也采用直線缸，它的結(jié)構(gòu)如圖2-21，它設(shè)有導(dǎo)向套，其導(dǎo)向性能好，剛性大，工作平穩(wěn)，活塞桿頂部為球鉸
圖2-21機(jī)械手的升降液壓缸結(jié)構(gòu)圖
鏈連接，當(dāng)導(dǎo)套因負(fù)載偏斜時，不致于活塞桿歪斜。
2.4.2.5．臂部升降油缸的計算
（1）液壓缸主要參數(shù)的確定
液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力F=24000N
——液壓缸的機(jī)械效率，一般取=0.95
，
則
按標(biāo)準(zhǔn)取 d=115mm ；D=60mm
則液壓缸的有效面積
無桿腔
有桿腔
（2）缸筒壁厚計算
一般按薄壁缸筒計算，壁厚按下式確定
式中 D——液壓缸內(nèi)徑（m）；
p——液壓缸最高工作壓力（MPa）；
——缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa），=；
——材料的抗拉強(qiáng)度極限（MPa）；
n ——安全系數(shù)，一般可取5。
設(shè)計壁厚為，足以滿足要求。
（3）活塞桿直徑計算
取d=60mm
按強(qiáng)度條件校核
現(xiàn)d=40mm>13.1mm
所以強(qiáng)度滿足要求。
（4）液壓缸的流量計算
流量
有桿腔
則
3 機(jī)械手的其它部分裝置
3.1、行程位置檢測裝置
行程位置檢測裝置的作用，是控制機(jī)械手的運(yùn)動位置，或是利用檢測裝置，通過控制系統(tǒng)對機(jī)械手的運(yùn)動位置進(jìn)行控制。如把運(yùn)動系統(tǒng)的位置反饋個控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其運(yùn)動停止在規(guī)定的位置上，以保證對機(jī)械手運(yùn)動的定位精度?，F(xiàn)舉一個應(yīng)用電液比例閥（或電液伺服閥）的反饋控制為例，用方框圖表示：
檢測裝置把實(shí)際位置信號反饋給控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，差值送入放大器，控制電液比例閥的流量或壓力，使機(jī)械手平穩(wěn)準(zhǔn)確停在預(yù)定位置上。檢測裝置應(yīng)用有電位器、編碼器和剛性機(jī)構(gòu)等。
機(jī)械手的定位精度指的是頻繁的往復(fù)運(yùn)動中的重復(fù)定位精度。影響保持一定的定位精度的誤差是很多的：如手臂的剛性、油液的溫度變化、位置檢測元件的類型及執(zhí)行環(huán)節(jié)的誤差等，都對重復(fù)定位的精度有嚴(yán)重影響。
由于機(jī)械手應(yīng)用在不同的環(huán)境，而且大多數(shù)是應(yīng)用在周圍環(huán)境比較惡劣的現(xiàn)場中，因此，對行程位置檢測裝置有以下幾點(diǎn)要求：
在機(jī)械性能方面：要結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、體積小、壽命長和維修方便；
在使用環(huán)境方面：要能在振動、油污等條件下穩(wěn)定和可靠地工作；
在電氣性能方面：要有高的抗干擾能力，高精度，長期使用是精度不變。行程位置檢測裝置有機(jī)械的、模擬的和數(shù)字的三種。
在本次設(shè)計的機(jī)械手中采用了機(jī)械式的位置行程檢測裝置。
3.2、緩沖定位裝置
專用機(jī)械手以及簡易的通用機(jī)械手常用的緩沖方法，可大致分為內(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(jī)構(gòu)。大多數(shù)液壓驅(qū)動的機(jī)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(jī)構(gòu)，如液壓緩沖器等。氣壓驅(qū)動的機(jī)械手由于空氣的可壓縮性大，速度平穩(wěn)性差的特點(diǎn)，大多數(shù)采用外緩沖的方法。
在該機(jī)械手中，采用了圖3-1所示的緩沖機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)有緩沖室，可調(diào)
節(jié)流閥（緩沖調(diào)節(jié)閥）、單向閥組成。當(dāng)活塞桿前進(jìn)到圖示位置時，油被封閉在緩沖室內(nèi)，因而產(chǎn)生背壓力，在此壓力作用下活塞減速，
圖3-1可調(diào)式油缸端部緩沖機(jī)構(gòu)
即運(yùn)動部分的動能逐漸被緩沖腔內(nèi)的油所吸收。調(diào)節(jié)針狀螺釘就可以改變緩沖腔內(nèi)油的溢出情況，從而使活塞的速度能按所要求的方式衰減。當(dāng)反向運(yùn)動時，高壓油推動緩沖柱塞，并頂開鋼珠進(jìn)入油缸，因此，起動力大而縮短了起動時間。
4 機(jī)械手總體方案總結(jié)
4.1、傳動方案的確定
考慮到圓柱坐標(biāo)式的占地面積小而動作范圍大的特點(diǎn)，決定采用圓柱坐標(biāo)式。該機(jī)械手的抓取工件為外圓形棒料，由于棒料有定長和掉頭的要求，姑機(jī)械手應(yīng)設(shè)計一個手腕180度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣此機(jī)械手就需由手臂升降，伸縮，回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個自由度，才能滿足上料的動作要求。
4.2、規(guī)格參數(shù)
臂力 60千克
定位精度 ±3毫米
自由度
范圍
速度
停止位置數(shù)
手臂伸縮
手臂回轉(zhuǎn)
手臂升降
手腕回轉(zhuǎn)
500毫米
200度
600毫米
180度
200毫米/秒
30度/秒
150毫米/秒
120度/秒
2
2
2
2
坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo)
驅(qū)動源 液壓驅(qū)動
控制方式 程序控制
4.3、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.機(jī)械手伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu)
此機(jī)械手手臂伸縮采用雙作用式單杠活塞油缸，伸縮動作是由缸體運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，活塞桿固定不動，其伸縮行程為500毫米，伸縮缸體安裝在帶燕尾型的滑枕上，他們一起由手臂坐支承，燕尾型滑枕還有導(dǎo)向作用，手臂的剛度大，工作時運(yùn)動平穩(wěn)。油缸的輸