畢業(yè)論文-機械手夾持器機械結構設計 (2)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　現(xiàn)今，國內很多工廠的生產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，生產效率較低、勞動強度很大。為了提高生產加工的工作效率，降低成本，并使生產線建設成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代自動化大生產需要，本文通過利用機器人技術，將裝卸機械手代替人工，從而來提高勞動生產率。 </p><p>　　本機械手主要與數(shù)控加工設

2、備組合形成生產線，實現(xiàn)加工過程（上料、下料、加工）的自動化與無人化。本設計充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎上，盡可能的使結構簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。</p><p>　　液壓控制系統(tǒng)是由機械、電氣、液壓和微機控制等元件綜合構成的工業(yè)自</p><p>　　動化系統(tǒng)，是機械傳動技術的一種重要形式，是機械與控制的

3、重要結合點，經</p><p>　　常出現(xiàn)在生產線和各種自動化設備中。</p><p>　　關鍵詞：機械手；夾持器；液壓系統(tǒng)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Today, many domestic factory production lines, CNC machine lo

4、ading and unloading the work piece are still manipulated manually and intensive labor, production efficiency is low. In order to improve the efficiency of the production process, reduce costs, turn production line into a

5、 flexible manufacturing system and meet the needs of modern automated large-scale production, this paper will replace the manual handling with robot, and thus improve labor productivity through the use of robot technolo&

6、lt;/p><p>　　The manipulator is mainly to implement automation which related to CNC machining equipment, hand combined to form production lines. It is designed to take full account of the robot work environment

7、and process specific requirements. To meet process requirements, simplify the structure and use the standardized, modular components common element as far as possible.</p><p>　　Hydraulic control system is th

8、e integrated industrial automation system which composed of mechanical, electrical, hydraulic and computer control devices. It is an important part in mechanical transmission and is often used in a variety of automated p

9、roduction lines and equipments.</p><p>　　Keywords: manipulator; gripper; the hydraulic system</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　論文選題背景及意義</b></p><p&g

10、t;　　用于再現(xiàn)人手功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。</p><p>　　工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感

11、器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。</p><p>　　國際標準化組織給出的定義：“一種自動操作控制可編程機械臂，在移動中完成各種基本操作工作的稱為工業(yè)機器人”[3]。通過計算機可編程序來執(zhí)行搬運多種物件材料、工件工具、或專用零件裝置的多功能機械手(manipulator)來完成各項任務綜合體稱為機器人，它是美國機器人工業(yè)協(xié)會（U.S．RIA）給出的定義[1]。工業(yè)機器人較適合這個定義。日本機器

12、人工業(yè)協(xié)會(JIRA)的定義：用來替代人類勞動的機械臂，通過記憶體元件和末端執(zhí)行器(end effector)的自動控制，使它自動移動、轉動完成各種工作的總和稱為工業(yè)機器人[2]。一種可以較好的模擬人手功能的機械電子裝置稱為機器人，這是我國對機器人的定義。作者指出：機械手在程序固定情況下只能簡單裝置在自動機或自動線上使用，做一些較簡單的搬運物件、抓取原件。機械手與機器人，動作程序的變化都是通過編程實現(xiàn)；它們主要區(qū)別是工業(yè)機器人具有獨立的

13、控制系統(tǒng)，共同的特征決定了它的定義，是一種多學科集于一體的自動化設備，主要由計算機信息科學、傳感技術科學、控制科學、機構科學等組成。</p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有

14、著廣泛的發(fā)展空間。</p><p>　　國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　工業(yè)機械手的第一次迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應用在美國橡樹嶺國家實驗室的搬運核原料的遙控機械操作手研究，時間大約是在上世紀40 年代，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958 年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手?？刂葡到y(tǒng)有別于40 年代的主從型而是示教型的；1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎

15、上，研制出一種更新興的機械手，運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。這個機械手對機械手的發(fā)展有著深遠的意義，日后的不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同一年該公司和普曼公司合并成重組為萬能制動公司，專門生產工業(yè)機械手。 1962 年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制。雖然上述的2 種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機

16、械手發(fā)展的重要基礎。在機械手得到一定程度的發(fā)展后，從60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算</p><p>　　我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚30年左右，起步于上世紀70 年代，1972 年我國第一臺機械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都

17、開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986～1990 年）開始，我國政府大大加大了對工業(yè)機器人的重視程度，并且為此項目投入大量的資金，在眾多學者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，其中有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。值得注意的是，這些機器人的控制器，都是由中國科學

18、院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器等等。</p><p>　　隨著機械手的發(fā)展，人們也對機械手的應用提出了更高的要求，一是重復高精度，精度是指機械手到達指定點的精確程度，它與驅動器的分辨率以及反饋裝置密切相關。重復精度是指如果動作重復多次，機械手到達同樣位置的精確程度。顯然，重復精度比精度更重要；二是模

19、塊化，有的公司把帶有系列導向驅動裝置的氣動機械手稱為簡單的傳輸技術，而把模塊化拼裝的氣動機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術。模塊化拼裝的氣動機械手比組合導向驅動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及氣管的導向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。由于模塊化氣動機械手的驅動部件采用了特殊設計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。模塊化氣動機械手使同一機械手可能由于應用不同的模塊而具有不同的

20、功能，擴大了機械手的應用范圍，是氣動機械手的一個重要的發(fā)展方向；三是無給油化，無給油化是個新提出的概念，主要是為了適應食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求，不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經問世。隨著材料技術的進步，新型材料（如燒結金屬石墨材料）的出現(xiàn)，構造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅</p><p><b>　　論文的主要工作</b></p>

21、<p>　　在全面學習和了解掌握夾持機構相關知識，查閱相關參考資料的基礎上對工業(yè)機器人夾持器機構的現(xiàn)狀有了充分而全面的了解，-設計主要進行了腕部和夾持器的設計。</p><p><b>　　夾持器的結構設計</b></p><p><b>　　夾持器的研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　機器人操作機在作業(yè)時的裝

22、置為機器人夾持器工具與所需工件直接接觸的過程。夾持器的性能的好壞很大程度上影響了機器人作用和效率的發(fā)揮。一方面為了在各種復雜的作業(yè)中，使機器人能像人一般有效地進行開展工作，就一定要有一個動作敏捷與運動靈活的夾持器，另一方面為能提高操作中的安全、穩(wěn)定性，在機器人抓取時，要求實現(xiàn)穩(wěn)定的夾持與操作；夾持器因在變外載情況下[10]。因此，在同時滿足矛盾的兩方面要求最大限度時，夾持器的設計才能夠更合理，需要深入細致的對其進行研究。 夾持器的主要作

23、用是握持物體的主要部件。由于物件被握持中出現(xiàn)的各種不同情況，如：材料結構、材料性能、形體大小、表面情況、份量輕重等的不一，促使夾持器的結構不能單一，應該有多種多樣的。每一種夾持器的結構和結構形態(tài)不完全一致，并且工作原理也會出現(xiàn)不一樣。總結起來，按照抓取和夾持的操作物件中的方式區(qū)別，夾持器可分為下面兩種[11-12]：</p><p>　　1、仿人抓取式夾持器 </p><p>　　人手抓取

24、物件時候都是從雙邊或者多邊抓取，夾持器從物件外部的兩側或多側實現(xiàn)抓取，這樣的指夾持器是屬于模擬人手的抓取，即是仿人抓取式夾持器。 </p><p>　　手指式、夾鉗式夾持器，這兩種夾持器均為仿人抓取中演變出來的夾持器。有復雜結構的手指式夾持器，基本能實現(xiàn)繁雜、難度較高的動作，均為模仿人的手指關節(jié)結構，在實現(xiàn)多自由度操作中運用了多個驅動器。夾鉗式夾持器，都只有單一關節(jié)的手指夾持器，不是與人手一摸一樣。它用單個驅動器

25、裝置來驅動，實現(xiàn)張合動作中由兩個或多個手指。大多數(shù)夾鉗式夾持器用在現(xiàn)在工業(yè)設計中，因為便于維護，而且成本低，結構簡單。</p><p>　　傳動機構、驅動裝置與手指構成了夾鉗式的夾持器。因為手指的結構與張開、閉合動作不同，可分成平移型和回轉型兩種夾持器。平移型夾持器在實現(xiàn)相對平行移動中是傳動機構帶動兩個手指實現(xiàn)開閉動作的。回轉型夾持器在實現(xiàn)繞支點回轉中是傳動機構的帶動手指實現(xiàn)開閉動作的。前者平移型夾持器結構比較簡

26、單、適應性較強、動作較靈活，這種多數(shù)屬于自動定心機構，被廣泛應用在生產中。</p><p>　　手指式夾持器，它有比較復雜的結構和控制系統(tǒng)，多數(shù)還處于科學研制階段。它主要完成復雜精細裝配或者在微密的小空間操作時，實現(xiàn)繁雜的抓取動作和精密靈巧操作。必須能夠模仿人手在靈巧地抓取不同材質、形狀的物體中的各個動作和關節(jié)活動要求。</p><p>　　2、非仿人抓取式夾持器[13]</p>

27、;<p>　　末端執(zhí)行器是非仿人抓取式的夾持器。人手不能實現(xiàn)的抓取方式一般由它來完成的，對特殊的物理現(xiàn)象和特定的物體形狀進行抓取時多數(shù)采用單邊抓取。用磁吸式和氣吸式夾持器來對待特殊的物理現(xiàn)象，利用中心塞式，漲縮環(huán)式夾持器來對待特定的物體形狀。</p><p>　　由進排氣系統(tǒng)、吸盤、吸盤架組成了氣吸式夾持器。根據(jù)物件與吸盤作用后負壓內腔或形成真空的不同方法，氣吸式夾持器可分三種：噴吸式——利用負壓噴

28、嘴抽出內腔空氣而形成負壓腔；擠氣式——吸盤變形后靠外力擠出內腔空氣的方法使形成負壓腔；真空式——吸盤內腔在真空泵系統(tǒng)專門抽氣后形成真空。它具有方便可靠、結構比較簡單、質量較輕等優(yōu)點，因而被廣泛運用于板材、紙張、塑料、薄壁零件和玻璃器皿等的夾取工作，有良好的使用效果。</p><p>　　用電磁鐵磁或永久磁鐵來吸持物件的都叫吸式夾持器，它一般用來吸取有磁性材料的物件，吸附中不僅不會破壞物件的表面，而且會產生較大的吸

29、附力，所以對表面光整要求不高的物件，或有通孔、通槽在表面的物件照樣可以吸持。對不能有剩磁的物件被吸持后通常要進行的物件退磁工序。對溫度超過 723°C 以后的鋼、鐵等磁性材料制造的物件就會失去磁性，因而無法在高溫時使用磁吸式夾持器。電磁鐵夾持器和永久磁鐵夾持器均為磁吸式夾持器。</p><p>　　工業(yè)機器人終端是焊鉗、噴槍，手部除焊接、噴涂等的專用工具外，機器人的夾持器工作主要在醫(yī)療服務、裝配、搬運等

30、工種，當前主要研究機械夾持器的有以下幾個方面[14-16]：</p><p>　　1、簡單的機械夾持器 </p><p>　　目前使用廣泛機械夾持器，因其結構比較簡單、造價相對低廉，但是它只適合外形規(guī)則的物件抓取，范圍應用有限。</p><p><b>　　2、系列夾持器 </b></p><p>　　對抓取外形變化比較

31、大、種類比較多的夾持器主要是機械夾持器，它運用場所較為廣泛。操作過程中可依據(jù)對象的變化而選擇不同的夾持器，這是它在機器人中的優(yōu)點，避免了因為抓取對象的變化要更換機器人終端設備的麻煩。但是增加了機器人腕部的負荷和復雜的結構成為了它不足的地方。</p><p><b>　　3、柔性夾持器</b></p><p>　　這類夾持器沒有固定不變的夾持形心的特點在操作過程中，形狀

32、變化較大的物件需要抓取比較適合，但對精確控制或者空間位置要求較高的對象抓取就不適合了。因此在實際裝配操作應用中的局限性體現(xiàn)了不適合此類機器人的。</p><p>　　4、仿人靈巧夾持器 </p><p>　　跟人手相似的機械結構特點的夾持器，在抓取物體時通過多個可獨立驅動的關節(jié)的動作來完成，做有限度的移、轉動作在相應的空間里，它在進行操作同時可以調整物體的位置。在作業(yè)操作中，小范圍的調整是

33、有利于提高機器人操作的準確性。因而，我國尚處于研制階段的仿人靈巧夾持器，雖然它控制系統(tǒng)與機械結構相對比較復雜，但是這類夾持器有十分廣闊應用前景。三指九關節(jié)靈巧手的機器人是北京航空航天大學研究所研制出來，靠遠距離驅動九個電機并通過鋼絲繩的運動來完成的。它能完成精密裝配工作和復雜細微的空間操作，在抓取不同類別形狀，不同類別材質的物體。專家鑒定認為，該項成果基本上達到了國際多指靈巧手研究的先進水平，國內更是具有領先科技水平。</p>

34、;<p><b>　　5、智能型夾持器 </b></p><p>　　日本機械實驗室已經研制出能在沒有光線中探測物體的形狀，這種機器人有較強識別能力的手指，它識別物體形狀大小的能力相當于用手的觸摸一般效果。同樣，日本東芝公司研制的機器人手，是一種能夠非常精確的接觸抓住物體，因它有一種觸覺傳感器裝在機器人的手指上。目前我們還不能離開人的干預、摒棄作用，在智能化機器人發(fā)展的過程中。

35、</p><p>　　總而言之，雖然在研究的機械夾持器種類較多，但技術上還有很多地方需要進一步研究更新，使技術開發(fā)逐步趨向成熟。</p><p><b>　　夾持器設計方案</b></p><p><b>　　夾持器的設計要求</b></p><p>　　要有足夠的夾持力和所需的夾持精度； <

36、/p><p>　　它是連接在手上，應盡可能使結構簡單、緊湊、質量輕小，以減輕手臂的負荷。</p><p><b>　　設計參數(shù)</b></p><p>　　所需要夾緊的工件直徑為 80mmm。放松動作時兩爪間最大距離為100-120mm。抓持速度為 20m/s，夾持器從運輸車上抓取待加工的坯料送到加工機械上及把加工好的工件送回到運輸車上。工件重量約

37、 0.5kg，材質：45#鋼。夾緊動作平穩(wěn)，起動和終止無剛性沖擊，由運動分析及所需夾持力得到機構各部分尺寸。</p><p><b>　　設計方案</b></p><p>　　本設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角，夾取重量為0.5Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀

38、物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。</p><p>　

39、　通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置。</p><p>　　手爪的作用及設計手爪的要求</p><p>　　手爪是機械手用來抓取并握緊工件用的。它抓取工件的迅速，靈活，準確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關鍵部件之一。為此，設計手爪時應滿足以下要求：</p><p>　　手爪應有足夠的夾緊力，除

40、工件的重力外，還要能不使工件在傳送過程中因慣性力和振動而松動或脫落。</p><p>　　夾持范圍要大，卡爪的開閉角度（卡爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度）應能適應夾持較大的直徑范圍。</p><p>　　夾持精度要高，即要求工件在卡爪內定位準確，又不夾壞工件表面，一般須根據(jù)工件的形狀選擇相應的卡爪。如圓柱形工件多采用V形槽的卡爪來定位；對于易擦傷表面的工件，卡爪上應鑲軟質墊片等。&

41、lt;/p><p>　　夾持動作要迅速，靈活。</p><p>　　手爪還要求結構簡單緊湊，剛性好，自重輕，易磨損處應能更換，在手腕或手臂上安裝要方便，更換要迅速或能自動更換。</p><p><b>　　手爪的類型</b></p><p>　　機械卡爪式：根據(jù)手爪的動作可分為回轉型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指和多指；

42、根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內漲式。</p><p>　　真空吸盤式：有真空泵式和氣流負壓式。</p><p><b>　　電磁吸盤式。</b></p><p><b>　　手爪的力學分析</b></p><p>　　下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖2-1（a）為常見的滑槽

43、杠桿式手部結構。</p><p>　　1——手指 2——銷軸 3——杠桿</p><p>　　圖2-1 滑槽杠桿式手部結構和受力分析</p><p>　　在杠桿3的作用下，銷軸[GB/T882-2000]2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向o點，交和的延長線于A及B。</p&

44、gt;<p><b>　　由 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　式中 a ——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）</p><p>　　——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角</p><p>　　由分析可知，當驅動力F一定

45、時， 角增大，則握力也隨之增大，但 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好。</p><p>　　夾緊力計算及驅動力計算</p><p>　　手指加在工件上的夾緊力，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。</p><p>　　手指對工件的夾緊力可按公式計算：</p><p&

46、gt;　　式中 -----安全系數(shù)，通常1.2～2.0；</p><p>　　-----工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估算：</p><p>　　其中a為重力方向的最大上升加速度： = ，</p><p>　　-----運載時工件最大上升速度；</p><p>　　-----系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.003～0

47、.5s</p><p>　　-----方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。</p><p>　　G-----被抓取工件所受重力（N）。</p><p>　　表2-1 液壓缸的工作壓力</p><p><b>　　計算：</b></p><p>　　設a=100mm，b=50mm，，機械手達到

48、最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力F 和驅動液壓缸的尺寸。</p><p><b>　　(1)設</b></p><p>　　根據(jù)公式，將已知條件代入公式（2.2）得；</p><p><b>　　夾緊力：</b></p><p>　?。?）根據(jù)驅動力公式得：</p><p

49、><b>　　(3)取</b></p><p><b>　　手爪夾持范圍計算</b></p><p>　　為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指夾持有效長度為100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖2-2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖2-2（b）所示，最大夾持半徑計算如下：</p

50、><p>　　圖2-2 手爪張開示意圖</p><p><b>　　誤差分析</b></p><p>　　機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅與機械手的定位精度有關，而且也與手指的夾持誤差大小有關。現(xiàn)對平移型和回轉型夾持器的優(yōu)缺點及定位誤差進行分析。</p><p><b>　　普通平移型夾持器<

51、/b></p><p>　　普通的平移型夾持器，工件的直徑的變化不影響其軸心的位置（圖 2-3），即對于不同直徑的工件其定位誤差?=0。但是傳統(tǒng)的平移型夾持器通常由平行四邊形機構、螺桿副直線平動機構或凸輪副直線平動機構來傳動，結構復雜，重量和體積較大且精度低。</p><p><b>　　2. 回轉型夾持器</b></p><p>　　機

52、械手回轉型夾持器結構簡單、制造容易，因此應用廣泛。但是回轉型夾持器與工件的接觸點呈弧形變化，夾持誤差隨工件尺寸變化而變化，定位精度差。下面以兩支點回轉型鉗爪（圖 2-4）夾持圓柱形工件為例，分析其定位誤差。</p><p>　　1—鉗爪體 2—工件</p><p>　　圖2-3平移型夾持器手指示意圖 圖2-4兩支爪回轉型鉗爪</p><p>　　

53、如圖 2-4所示，設 AB 長度為l ，鉗口夾角為2θ ，兩支點的距離為 2a，圓柱形工件半徑為 R，偏轉角為 β ，設工件中心到手指兩支點連線中點O的距離為 x,則：</p><p>　　隨工件尺寸變化而變化，為了保證在抓取半徑較小的工件時能夠抓住工件，偏轉角常按被抓取工件的平均半徑和使得為條件來確定，那么：</p><p><b>　　式中，。</b></p

54、><p>　　為方便討論，對式（2.3）進行整理，得：</p><p>　　對于式（2.5）中，根號下的式子為關于參數(shù)R的拋物線，因此可以討論x的最值問題以及其定位誤差：</p><p><b>　　當時，x有最小值</b></p><p>　　當或時，定位誤差為：</p><p>　　(3) 當時，

55、定位誤差取和中的最大值，其中的值可由下面的公式求得：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　若被抓取的工件半徑，則，，根據(jù)公式（2.7）可以計算其定位誤差：</p><p>　　通過上述計算可知，當工件尺寸變化時兩支點回轉型鉗爪有較大的定

56、位誤差。</p><p><b>　　手腕的設計</b></p><p><b>　　手腕的概述</b></p><p>　　工業(yè)機器人的腕部是臂部和手部的連接部件，手部在工作過程中不僅其靈活性得到了很好的改進，而且工作范圍比之前更大一些，這些優(yōu)點都是在空間上改進或者調解其方向得到的，不容忽視的是，以上的工作是以手腕臂部的

57、運動為基礎的[1]。</p><p>　　手腕應具有獨立的自由度，以滿足機器人手部完成復雜的姿態(tài)。腕部實際所具有的自由度應根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，要確定手部的作業(yè)方位，使手部處于空間任意方位，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸 X,Y,Z 的轉動，即具有回轉（）、俯仰（）和擺動（）三個自由度，如圖 3-1 所示[2]。</p><p>　　當有特殊使用要求時，還可以實現(xiàn)小

58、距離的橫移運動。手腕的自由度越多，結構和控制越復雜。因此，在決定手腕的自由度數(shù)目時應根據(jù)機器人的作業(yè)要求。在大多數(shù)的情況下，機器人手腕具有 1-2 個自由度就可以滿足作業(yè)的要求。</p><p>　　因為手腕是安裝在手臂的末端，所以手腕的大小和重量是手腕設計時要考慮的關鍵問題，希望能采用緊湊的結構，合理的自由度[3]。</p><p>　　1—手臂 2—機械接口</p>&

59、lt;p>　　圖3-1手腕的自由度</p><p><b>　　腕部的典型結構</b></p><p>　　工業(yè)機器人的腕部結構形式大多數(shù)都相互類似，有的采用回轉缸或活塞缸直接驅動。但有一些是通過機械傳動裝置，鏈輪鏈條以及同步皮帶傳動的。</p><p>　　典型的腕部結構有以下幾種：</p><p>　　具有一個

60、回轉運動的腕部結構。</p><p>　　回轉缸驅動的腕部結構、齒條缸驅動的腕部結構、可翻轉的腕部結構、復合缸驅動的腕部結構。</p><p>　　具有兩個回轉運動的腕部結構。</p><p>　　具有回轉和擺動的腕部結構、具有回轉和俯仰運動的腕部結構。</p><p>　　具有回轉和橫移運動的腕部結構。</p><p&g

61、t;　　具有多個自由度的機械傳動腕部結構。</p><p><b>　　柔順手腕。</b></p><p><b>　　手腕確定</b></p><p>　　因為工件是從一個地點搬運到另一個地點，動作并不復雜，所以一個自由度的手腕是一個很好選擇。</p><p><b>　　液壓缸的設計&

62、lt;/b></p><p><b>　　液壓缸的設計概述</b></p><p>　　液壓缸一般來說是標準件，但有時也需要自行設計。本節(jié)主要介紹液壓缸主要尺寸的計算及強度，剛度的驗算方法。 </p><p>　　液壓缸的設計是在對所設計的液壓系統(tǒng)進行工況分析、負載計算和確定了其工作壓力的基礎上進行的。首先根據(jù)使用要求確定液壓缸的類型，再

63、按負載和運動要求確定液壓缸的主要結構尺寸，必要時需進行強度驗算，最后進行結構設計。 </p><p>　　液壓缸的主要尺寸包括液壓缸的內徑 D、缸的長度 L、活塞桿直徑 d。主要根據(jù)液壓缸的負載、活塞運動速度和行程等因素來確定上述參數(shù)。 </p><p>　　液壓缸要承受的負載包括有效工作負載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負載確定。對于不同用途的液壓設備，由于工作條件不同，采用的

64、壓力范圍也不同。設計時，液壓缸的工作壓力可按負載大小及液壓設備類型參考表4-1、表 4-2 來確定。</p><p>　　表4-1液壓缸的公稱壓力（單位：MPa，GB 79 38-87）</p><p>　　表4-2各類液壓設備常用的工作壓力（單位：MPa）</p><p>　　液壓缸的典型結構舉例： </p><p>　　圖 4-1 所示的

65、是一個較常用的雙作用單活塞桿液壓缸。它是由缸底 20、缸筒 10、缸蓋兼導向套 9、活塞 11 和活塞桿 18 組成。缸筒一端與缸底焊接，另一端缸蓋(導向套)與缸筒用卡鍵 6、套 5 和彈簧擋圈 4 固定，以便拆裝檢修，兩端設有油口 A 和 B?；钊?11 與活塞桿 18 利用卡鍵 15、卡鍵帽 16 和彈簧擋圈 17 連在一起。活塞與缸孔的密封采用的是一對 Y 形聚氨酯密封圈 12，由于活塞與缸孔有一定間隙，采用由尼龍 1010 制成

66、的耐磨環(huán)(又叫支承環(huán))13 定心導向。桿 18 和活塞 11 的內孔由密封圈 14 密封。較長的導向套 9 則可保證活塞桿不偏離中心，導向套外徑由 O 形圈 7 密封，而其內孔則由 Y 形密封圈 8 和防塵圈 3 分別防止油外漏和灰塵帶入缸內。缸與桿端銷孔與外界連接，銷孔內有尼龍襯套抗磨。</p><p>　　圖4-1雙作用單活塞桿液壓缸</p><p>　　1-耳環(huán) 2-螺母 3-防塵圈

67、 4、17-彈簧擋圈 5-套 6、15-卡鍵</p><p>　　7、14-O型密封圈 8、12-Y型密封圈 9-缸蓋兼導向套 10-缸筒</p><p>　　11-活塞 13-耐磨環(huán) 16-卡鍵帽 18-活塞桿 19-襯套 20-缸底</p><p><b>　　液壓驅動力</b></p><p>　?。?）根據(jù)驅動力

68、公式得：</p><p><b>　　(2)取</b></p><p>　　（3）確定液壓缸的內徑D</p><p>　　選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8-1Mpa,</p><p>　　根據(jù)表4-1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=10mm，但為了擴大機械手的工作范圍，選取液壓缸

69、內徑D=16mm</p><p><b>　　則活塞桿直徑為：</b></p><p><b>　　活塞壁的厚度</b></p><p><b>　　活塞厚 </b></p><p>　　所以取 B=60mm</p><p><b>　　活塞

70、行程</b></p><p>　　夾持器桿件運動軌跡示意圖如圖 4-2 所示。</p><p>　　圖4-2夾持器桿件運動軌跡示意圖</p><p>　　OD 順時針旋轉 到 OB 位置，OA=OD=100，，所以，</p><p>　　即手爪最大抓取直徑 2BE=167mm</p><p>　　同理：

71、 </p><p>　　所以當2BE相接觸時，即2BE=0時，CD轉移距離為30mm，轉角為</p><p><b>　　取</b></p><p>　　當順時針旋轉18度時，BE=52.6mm</p><p>　　手爪間的最大間距為 2BE=105mm</p><p>&l

72、t;b>　　所以工件直徑為 </b></p><p><b>　　故合適。</b></p><p>　　所以選取行程S=25，標準液壓缸，經校核液壓缸行程滿足要求。</p><p>　　抓取d=80mm的工件時：</p><p>　　抓取工件前兩爪處于最大距離時</p><p>

73、;<b>　　校核此時缸徑：</b></p><p><b>　　故缸徑合適。</b></p><p><b>　　液壓缸的流量</b></p><p><b>　　夾緊器夾緊時：</b></p><p><b>　　放松時： </b>

74、;</p><p><b>　　缸筒壁厚 </b></p><p><b>　　取 </b></p><p><b>　　底厚： </b></p><p>　　故h=8mm，液壓桿行程示意圖如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3液壓桿行程示意圖

75、</p><p><b>　　液壓控制系統(tǒng)設計</b></p><p><b>　　油泵的選擇</b></p><p>　　液壓泵是液壓系統(tǒng)提供一定流量和壓力的油液動力元件，它是每個液壓系統(tǒng)不可缺少的核心元件，合理的選擇液壓泵對于降低液壓系統(tǒng)的能耗、提高系統(tǒng)的效率、降低噪聲、改善工作性能和保證系統(tǒng)的可靠工作都十分重要。

76、</p><p>　　選擇液壓泵的原則是：根據(jù)主機工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求，首先確定液壓泵的類型，然后按系統(tǒng)所要求的壓力、流量大小確定其規(guī)格型號。 表 5-1 列出了液壓系統(tǒng)中常用液壓泵的主要性能。</p><p>　　表5-1液壓系統(tǒng)常用液壓泵的性能比較</p><p>　　一般來說，由于各類液壓泵各自突出的特點，其結構、功用和動轉方式各不相同，因此

77、應根據(jù)不同的使用場合選擇合適的液壓泵。一般在機床液壓系統(tǒng)中，往往選用雙作用葉片泵和限壓式變量葉片泵；而在筑路機械、港口機械以及小型工程機械中往往選擇抗污染能力較強的齒輪泵；在負載大、功率大的場合往往選擇柱塞泵。 </p><p>　　應實際要求需要，選用 YBX 型“限壓式變量泵”。限壓式變量泵具有以下特點：系統(tǒng)壓力在達到最大工作壓力前系統(tǒng)工作流量保持最大；系統(tǒng)壓力達到最大工作壓力時系統(tǒng)工作流量迅速降低，以實現(xiàn)功

78、率保護；執(zhí)行元件速度受負荷影響；可實現(xiàn)最大輸出功率限制；空載運行可實現(xiàn)最低功耗，即零壓力零排量。</p><p><b>　　確定流量</b></p><p><b>　　兩個液壓缸流量為</b></p><p>　?。?）夾持器液壓缸 </p><p>　　(2) 回轉液壓缸 &l

79、t;/p><p>　　（3）伸縮臂液壓缸 </p><p>　　(4) 升降臂液壓缸 </p><p><b>　　(K取1.1)</b></p><p><b>　　確定泵的動力</b></p><p>　　各缸分別為 （1）夾持器液壓缸 </p>

80、<p>　　(2) 回轉液壓缸 </p><p>　　(3) 伸縮臂液壓缸 </p><p>　　(4) 升降臂液壓缸 </p><p>　　所以泵的額定壓力可取</p><p><b>　　選擇泵的型號為</b></p><p><b>　　表5-2技術規(guī)格為<

81、;/b></p><p><b>　　油泵電機的選擇</b></p><p>　　——液壓泵的總效率（取0.85）</p><p>　　所以選擇電機型號:Y90L-4</p><p><b>　　表5-3電機參數(shù)</b></p><p><b>　　液壓元件的

82、選擇</b></p><p>　　序號 名稱 Q 規(guī)格 </p><p>　?。?）變量液壓泵 20.8 YBX—16 </p><p>　　（2）節(jié)流閥 15 AQF3—10CB </p><p>　?。?）液控單向閥

83、 0.4 SLPB2—30※ </p><p>　?。?）過濾器 20.8 XU—CJ25X40 </p><p>　　（5）電液換向閥（伸） 15 340YF—30—10B—Z </p><p>　?。?）電液換向閥（夾） 23.4 YF—30—10B—Z </p&

84、gt;<p>　?。?）電液換向閥（回） 17.34 YF—30—10B—Z </p><p>　?。?）電液換向閥（升） 8 YF—30—10B—Z </p><p>　?。?）卸荷閥 （溢流閥） 20.8 </p><p>　?。?0）二位二通換向閥 </p><p>　　（11）壓力傳感

85、器 </p><p><b>　?。?2）行程開關</b></p><p><b>　　輔助元件選擇</b></p><p>　　供油管尺寸參考所接元件接口尺寸選擇</p><p>　　參考所接元件接口尺寸，供油管采用塑料油管。</p><p><b>　　郵箱的選

86、擇</b></p><p>　　U——郵箱有效容積（L）</p><p>　　M——系數(shù)，對中壓系統(tǒng)取 5min</p><p><b>　　——液壓泵流量（）</b></p><p><b>　　系統(tǒng)液壓圖</b></p><p>　　詳細D=W=G圖=紙：三

87、二 ③ 1爸 爸 五 四 0 六</p><p>　　全 套 資 料 低 拾10快起</p><p>　　圖5-1是液壓回路結構圖，它在Fluid SIM-P軟件中獲取下面的元件組合而成，是由手閥、溢流閥、液壓泵、液控單向閥、節(jié)流閥、電液換向閥和各類液壓缸等組成。溢流閥在工件到達后停止卸荷，節(jié)流閥設置參數(shù)控制液壓速度。本液壓結構中設置有三位四通電磁換向閥，用以控制液流的方向，做好標記的每

88、個電磁閥的線圈用以控制。根據(jù)實際設置每個液壓缸情況參數(shù)，磁性開關的放置是由液壓缸行程決定的。</p><p>　　圖5-1液壓系統(tǒng)控制原理圖</p><p><b>　　電磁鐵動作順序表</b></p><p>　　對以上液壓系統(tǒng)控制圖中的電磁鐵的動作順序制定動作順序表如表 5-4 所示，其中，“+”表示電磁鐵得電。伸縮臂、夾持器等就實現(xiàn)相應的

89、動作。</p><p>　　表5-4電磁鐵動作順序表</p><p>　　液壓控制原理圖的步驟說明</p><p>　　開始工作后，啟動電機，待到液壓系統(tǒng)啟動，在工件來之前，溢流閥處于卸荷狀態(tài)。 （1）工件到達后，溢流閥停止卸荷,同時 YV6 得電，電液閥右位工作，有桿腔進油，升降臂下降。 </p><p>　　（2）下降到終點，壓下行程開關

90、斷開升降臂進油路，YV6 斷電，同時 YV1 得電，夾緊工件，這時液壓缸有桿腔壓力升高，使壓力傳感器 SA1 發(fā)出信號 YV5 得電，同時 YV1 失電。 </p><p>　?。?）YV5 得電，升降臂上升，上升節(jié)流閥可用作單向調節(jié)，用以節(jié)省時間。 </p><p>　?。?）上升到終了時，在行程開關 SA5，發(fā)出電信號，YV5 失電，YV7 得電，上升油路關閉，開始打開右回轉油路，底座

91、快速右轉，由節(jié)流閥調節(jié)速度。 </p><p>　?。?）轉動快到右限位時，壓下行程開關 YV7 失電，行程節(jié)流閥工作，底座慢速回轉到終點。 </p><p>　?。?）此時 YV3 得電，伸縮臂無桿腔進油，伸縮臂伸出使工件運動到工作臺上方。 </p><p>　　（7）伸縮臂伸到終了時，壓下行程開關，使其發(fā)出信號 YV2 得電，夾持器松開，工件放到工作臺上。 &l

92、t;/p><p>　　（8）延時后，時間繼電器發(fā)出信號，使 YV2 失電，YV4 得電，伸縮臂縮回。 </p><p>　?。?）伸縮臂縮回后壓下行程開關，發(fā)出信號使機床開始加工工件，溢流閥工作，系統(tǒng)卸荷。 </p><p>　?。?0）工件加工完畢后，系統(tǒng)發(fā)出信號溢流閥停止卸荷，YV3 得電，伸縮臂伸出。 </p><p>　?。?1）伸到指定

93、位置時，壓下行程開關，YV3 失電 YV1 得電，夾持器夾持工件，夾緊后壓力傳感器發(fā)出信號 YV4 得電。 </p><p>　　（12）伸縮臂把工件取回。 </p><p>　　（13）伸縮臂縮回到指定位置壓下行程開關，發(fā)出信號 YV8 得電底座快速回 轉，由節(jié)流閥調速。 </p><p>　?。?4）快到限定位置時，使行程節(jié)流閥 YV8 失電，靠慣性緩沖至終止位

94、置。 </p><p>　　（15）底座至終點后，壓下行程開關 YV6 得電，升降臂下降。 </p><p>　?。?6）下降終了時刻，壓下行程開關，發(fā)出信號，使 YV6 失電，YV2 得電，夾持器右位工作，夾持器松開，把工件放回傳送帶。 </p><p>　　(17)延時后，YV2 失電，YV5 得電，升降臂上升，同時發(fā)出信號使傳送帶把工件帶走。 </p&g

95、t;<p>　　(18)升降臂升到原來的位置后，系統(tǒng)處于卸荷狀態(tài)，等待下一次循環(huán)。</p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　本次設計的內容主要是關于機械手的腕部和夾持器部分，其腕部采用液壓缸驅動，運行起來結構緊湊合理，性能可靠，質量優(yōu)良，操作簡單方便，噪音低；夾持器部分采用滑槽杠桿式結構，使其運行平穩(wěn)、可靠，能夠更好的滿足使

96、用者的要求。希望能在結合工廠實際需要的機械手設計中得到專家的進一步指導幫助，設計出更精確化、多樣化的機械手，設計出最優(yōu)化的手臂，使它能有更多方位的自由度伸展運動，能為社會創(chuàng)造出相應的財富。</p><p>　　由于作者時間有限，知識匱乏，設計經驗少，設計過程中必然存在著錯誤和不足，敬請廣大老師和同學批評指正。</p><p><b>　　致 謝</b></

97、p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]蔡自興.機器人學.北京:清華大學出版社，2000.09 </p><p>　　[2]徐元昌.工業(yè)機器人.北京:中國輕工業(yè)出版社，1999.08 </p><p>　　[3]自動化博覽記者.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀淺談.自動化博覽，2007，4:54-55 <

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