机械手设计说明书毕业设计

目录 摘要 一 绪论 1.1机械手的发展概况 1.2机械手的用途和分类 1.3机械手的组成 1.4机械手的发展趋势 二 抓取机构设计 2.1手部设计计算 2.2腕部设计计算 2.3臂伸缩机构设计 三 液压系统原理设计及草图 3.1手部抓取缸 3.2腕部摆动液压回路 3.3小臂伸缩缸液压回路 3.4总体系统图 四 机身机座的结构设计 4.1电机的选择 4.2减速器的选择 五 机械手的定位与平稳性 5.2影响平稳性和定位精度的因素 5.3机械手运动的缓冲装置 六 机械手的控制 6.1控制系统的主要组成 6.2机械手的PLC控制设计 6.3 可编程序控制器的选择及工作过程 6.4可编程序控制器的使用步骤 6.5机械手可编程序控制器控制方案 七 机械手的结构 7.1机械手主要组成 7.2工业机械手的分类 毕业设计感想 参考资料 柔性制造系统上下料机械手设计 摘要 本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。

本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动；
在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。

关键字 机械手，AutoCAD 。

绪论 1.1机械手的发展概况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。

早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。

50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。

60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。

80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。

90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。

90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

总之，目前机械手的主要经历分为三代：
第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；
改进的方向主要是将低成本和提高精度；

第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；

第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

1.2机械手的用途和分类 　　机械手也被称为自动手，auto hand 　　能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

　　机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

　　机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；
按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；
按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。

　　机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

　　机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

　　机械手采用手动比例阀控制下的液压控制方式。

　　机械手可以完成的操作对象参数为：①钻柱高30 m；
②钻杆重量为：40 Kg/m，总重1200 Kg；
③钻铤（七英寸直径）重量为：180 Kg /m，总重5400 Kg。

1.3机械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1.执行机构 （1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；
根据需要分为外抓式和内抓式两种；
也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。

传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部  手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。

（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

2. 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

3.控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.4机械手的发展趋势 1重复高精度 精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。

2 模块化 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。

3 节能化 为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。

4 机电一体化 由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；
发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制” ；
节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。

国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。

第二章 抓取机构设计 2.1手部设计计算 一、对手部设计的要求 1、有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

2、有足够的开闭范围 夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。

图2.1 机械手开闭示例简图 3、力求结构简单，重量轻，体积小 手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。

4、手指应有一定的强度和刚度 5、其它要求 因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。

二、拉紧装置原理 如图2.2所示【4】：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。

图2.2 油缸示意图 1、右腔推力为 FP=（π／4）D²P （2.1） =（π／4）0.5²2510³ =4908.7N 2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′ （2.2） 其中 N′=498N=392N，带入公式2.2得：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′ =(2150/50)（cos30º）²392 =1764N 则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/η （2.3） =17641.51.1/0.85=3424N 经圆整F1=3500N 3、计算手部活塞杆行程长L,即 L=（D/2）tgψ （2.4） =25×tg30º =23.1mm 经圆整取l=25mm 4、确定“V”型钳爪的L、β。

取L/Rcp=3 （2.5） 式中：
Rcp=P/4=200/4=50 （2.6） 由公式（2.5）（2.6）得：L=3×Rcp=150 取“V”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定， 查表得：
β=22º39′ 5、机械运动范围（速度）【1】 （1）伸缩运动 Vmax=500mm/s Vmin=50mm/s （2）上升运动 Vmax=500mm/s Vmin=40mm/s （3）下降Vmax=800mm/s Vmin=80mm/s （4）回转Wmax=90º/s Wmin=30º/s 所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量 Q=sv （2.7） =60πr² =60×3.14×25² =1177.5mm³/s 7、手部工作压强 P= F1/S （2.8） =3500/1962.5=1.78Mpa 2.2腕部设计计算 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。

要求：回转±90º 角速度W=45º/s 以最大负荷计算：
当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。

1、计算扭矩M1〖4〗 设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：
M1=F×S （2.9） =10×9.8×0.2=19.6（N·M） 工件 F S F 图2.3 腕部受力简图 2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2〖4〗 F=5kg S=10cm 带入公式2.9得 M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M） 3、摆动缸的摩擦力矩M摩〖4〗 F摩=300（N）（估算值） S=20mm （估算值） M摩=F摩×S=6（N·M） 4、摆动缸的总摩擦力矩M〖4〗 M=M1+M2+M摩 （2.10） =30.5（N·M） 5.由公式 T=P×b（ΦA1²-Φmm²）×106/8 （2.11） 其中：
b—叶片密度，这里取b=3cm；

ΦA1—摆动缸内径, 这里取ΦA1=10cm；

Φmm—转轴直径, 这里取Φmm=3cm。

所以代入（2.11）公式 P=8T/b（ΦA1²-Φmm²）×106 =8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106 =0.89Mpa 又因为 W=8Q/（ΦA1²-Φmm²）b 所以 Q=W（ΦA1²-Φmm²）b/8 =（π/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8 =0.27×10-4m³/s =27ml/s 2.3臂伸缩机构设计 手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。

臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。

机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。

手臂的伸缩速度为200m/s 行程L=500mm 1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：【4】 Q=sv =200×π×40² =1004800mm³/s =0.1/10²m³/s =1000ml/s 2、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得：〖4〗 P=F/S （2.12） 式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。

所以代入公式（2.12）得：
P=（F+ F摩）/S =（30×9.8+1000）/π×40² =0.26Mpa 3、绘制机构工作参数表如图2.4所示：
图2.4机构工作参数表 4、由初步计算选液压泵〖4〗 所需液压最高压力 P=1.78Mpa 所需液压最大流量 Q=1000ml/s 选取CB-D型液压泵（齿轮泵） 此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，可以满足需要。

5、验算腕部摆动缸：
T=PD（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8 （2.13） W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b （2.14） 式中：Ηm—机械效率取：
0.85～0.9 Ηv—容积效率取：
0.7～0.95 所以代入公式（2.13）得：
T=0.89×0.03×（0.1²-0.03²）×0.85×106/8 =25.8（N·M） T<M=30.5（N·M） 代入公式（2.14）得：
W=（8×27×10-6）×0.85/（0.1²-0.03²）×0.03 =0.673rad/s W<π/4≈0.785rad/s 因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 圆整其他缸的数值：
手部抓取缸工作压力PⅠ=2Mpa 流量QⅠ=120ml/s 小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.25Mpa 流量QⅠ=1000ml/s 第三章 液压系统原理设计及草图 3.1手部抓取缸 图 3.1手部抓取缸液压原理图〖7〗 1、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示 2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。

因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。

采用：
YF-B10B溢流阀 2FRM5-20/102调速阀 23E1-10B二位三通阀 3.2腕部摆动液压回路 图 3.2腕部摆动液压回路〖7〗 1、腕部摆动缸液压原理图如图3.2所示 2、工作压力 P=1Mpa 流量 Q=35ml/s 采用：
2FRM5-20/102调速阀 34E1-10B 换向阀 YF-B10B 溢流阀 3.3小臂伸缩缸液压回路 图 3.3小臂伸缩缸液压回路〖7〗 1、小臂伸缩缸液压原理图如图3.3所示 2、工作压力 P=0.25Mpa 流量 Q=1000ml/s 采用：
YF-B10B 溢流阀 2FRM5-20/102 调速阀 23E1-10B二位三通阀 3.4总体系统图 图 3.4总体系统图〖7〗 1、总体系统图如图3.4所示 2、工作过程 小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松 3、电磁铁动作顺序表 元件 动作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸长 － + + - - 手部抓紧 － + - - - 腕部回转 － + - + - 小臂收缩 － - - - - 手部放松 － - + - - 卸荷 ＋ ± ± ± ± 图 3.5总体系统图 4、确电机规格：
液压泵选取CB-D型液压泵，额定压力P=10Mpa，工作流量在32～70ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵， 因此：传动功率 N=P×Q/η （3.1） 式中：η=0.8 （经验值） 所以代入公式（3.1）得：
N=10×80×103×106/60×0.8 =16.7KN 选取电动机JQZ-61-2型电动机，额定功率17KW， 转速为2940r/min。

第四章 机身机座的结构设计 机身的直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者就直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂，机身既可以是固定式的，也可以是行走式的,如图4.1所示。

图4.1机身机座结构图 臂部和机身的配置形式基本上反映了机械手的总体布局。本课题机械手的机身设计成机座式，这样机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型机械手。臂部可沿机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机身的旋转，从而达到了自由度的要求。

4.1电机的选择 机身部使用了两个电机，其一是带动臂部的升降运动；
其二是带动机身的回转运动。带动臂部升降运动的电机安装在肋板上，带动机身回转的电机安装在混凝土地基上。

1、带动臂部升降的电机：〖10〗 初选上升速度 V=100mm/s P=6KW 所以n=（100/6）×60=1000转/分 选择Y90S-4型电机，属于笼型异步电动机。采用B级绝缘，外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

如图4.1 Y90S-4电动机技术数据所示：
型号 额定功率KW 满载时 堵转电流 堵转转矩 最大转矩 电流A 转速r/min 效率% 功率因素 额定电流 额定转矩 额定转矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 图4.1 Y90S-4电动机技术数据 2、带动机身回转的电机：〖10〗 初选转速 W=60º/s n=1/6转/秒 =10转/分 由于齿轮 i=3 减速器 i=30 所以n=10×3×30=900转/分 选择Y90L-6型笼型异步电动机 电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为380V，额定功率为50HZ。

如图4.2 Y90S-6电动机技术数据所示：
图4.2 Y90L-6电动机技术 4.2减速器的选择 减速器的原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置。用来降低转速和增 转矩，以满足工作需要。〖6〗 初选WD80型圆柱蜗杆减速器。

WD为蜗杆下置式一级传动的阿基米德圆柱蜗杆减速器。

蜗杆的材料为38siMnMo调质 蜗轮的材料为ZQA19-4 中心矩a=80 Ms×q=4.0×11 （4.1） 传动比I=30 传动惯量0.265×10ˉ³kg·m² 4.3螺柱的设计与校核 螺杆是机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。

螺杆的材料选择：〖6〗 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。

螺距 P=6mm 梯形螺纹 螺纹的工作高度 h=0.5P （4.2） =3mm 螺纹牙底宽度 b=0.65P=0.65×6=3.9mm （4.3） 螺杆强度 [σ]= σs/3～5 （4.4） =150/3～5 =30～50Mpa 螺纹牙剪切[τ]=40 弯曲[σb]=45～55 1、当量应力〖6〗 (4.5) 式中 T——传递转矩N·mm [σ]——螺杆材料的许用应力 所以代入公式（4.5）得：
σ= （4×200×9.8/πd1²）²+3（200×9.8×0.6/0.2d1³）² = （2495/ d1²）²+3（61.2/ d1³）²≤30～50×106 =（2495/ d1²）²+3（61.2/ d1³）²≤900～2500×1012 =6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012 6225025d12+11236≤900d16×1012 6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012 即16471pa＜535340pa 合格 2、剪切强度〖6〗 Z=H/P=160/6 （旋合圈数） （4.6） τ=F/πd1bz （4.7） =200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3 =206.8×103pa =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa 3、弯曲强度〖6〗 σb=3Fh/πd1b2z =3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6） =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 第五章 机械手的定位与平稳性 5.1常用的定位方式 机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。

若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于 ±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。

5.2影响平稳性和定位精度的因素 机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：
（1、）定位方式 不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。

（2、）定位速度 定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。

（3、）精度 机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。

（4、）刚度 机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，因易产生振动，定位精度一般较低。

（5、）运动件的重量 运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。

运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。

（6、 ）驱动源 （7、 液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。

（7、）控制系统 开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。

本课题所采用的定位精度为机械挡块定位 5.3机械手运动的缓冲装置 缓冲装置分为内缓冲和外缓冲两种形式。内缓冲形式有油缸端部缓冲装置和缓冲回路等。外缓冲形式有弹性机械元件和液压缓冲器。内缓冲的优点是结构简单，紧凑。但有时安置位置有限；
外缓冲的优点是安置位置灵活，简便，缓冲性能好调等，但结构较庞大。

本课题所采用的缓冲装置为油缸端部缓冲装置。

当活塞运动到距油缸端盖某一距离时能在活塞与端盖之间形成一个缓冲室。利用节流的原理使缓冲室产生临时背压阻力，以使运动减速直至停止，而避免硬性冲击的装置，称为油缸端部缓冲装置。

在缓冲行程中，节流口恒定的，称为恒节流式油缸端部缓冲装置。

设计油缸端部恒节流缓冲装置时，amax（最大加速度）、Pmax（缓冲腔最大冲击压力）和Vr（残余速度）三个参数是受工作条件限制的。通常采用的办法是先选定其中一个参数，然后校验其余两个参数。步骤如下：
① 选择最大加速度 通常，amax值按机械手类型和结构特点选取，同时要考虑速度与载荷大小。对于重载低速机械手，- amax取5m/s2以下，对于轻载高速机械手，-amax取5～10 m/s2 ② 计算沿运动方向作用在活塞上的外力F 水平运动时：
F=PSA-Ff （5.1） =0.25×103×π×3.62-7 =138N ③ 计算残余速度Vr Vr=VO/ 1-amaxm/F （5.2） =0.1/0.64=0.15m/s 第六章 机械手的控制 6.1控制系统的主要组成 控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序，动作的位置与路径、动作的时间。

机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图6.1所示的机能〖3〗。

实现上述各种机能的控制方式有多种多样。机械手的程序控制方式可分为两大类，即固定程序控制方式和可变程序控制方式。

本课题所用的是固定程序控制类别的机械式控制。

常用凸轮和杠杆机构来控制机械手的动作顺序、时间和速度。一般常与驱动机构并用，因此结构简单，维修方便，寿命较长，工作比较可靠。适用于控制程序步数少的专用机械手。

装卸工件 状别识别 环境识别 操作机能 检测、识别机能 控制机能 示教机能 动作控制机能 动作顺序控制机能 运动控制机能 图6.1机械手的控制机能 6.2机械手的PLC控制设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制.当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即 可实现，非常方便快捷。

6.3 可编程序控制器的选择及工作过程 可编程序控制器的选择 目前 ，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型 PC等。考虑到本机械手的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造 成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。

可编程序控制器的工作过程 可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用 了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为4个阶段。

第一阶段是初始化处理。

可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询 问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表. 该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储 器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时， CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入 下一阶段。

第二阶段是处理输入信号阶段。

在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的 状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0 状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成 运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。

第三阶段是程序处理阶段。

当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这 个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关 指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。

第四阶段是输出处理阶段。

CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。

6.4可编程序控制器的使用步骤 在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系 统时，通常以七个步骤进行: (1)系统设计 即确定被控对象的动作及动作顺序。

(2) I/0分配 即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。

(3)画梯形图 它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。

(4)助记符机器程序 相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。

(5)编制程序 即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。

(6)调试程序 即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。

(7)保存程序 调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。

6.5机械手可编程序控制器控制方案 1、系统简介 控制对象为圆柱座标气动机械手。它的手臂具有三个自由度，即水平方向的伸、缩;竖直方向的上、下;绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转。另外，其末端执行装置—机械手，还可完成抓、放功能。

以上动作均采用气动方式驱动，即用五个二位五通电磁阀(每个阀有两个线圈，对应两个相反动作)分别控制五个气缸，使机械手完成伸、缩、上、下、旋转及机械手抓放动作。其中旋转运动用一组齿轮齿条，使气缸的直线运动转化 为旋转运动。

这样 ，可用PLC的8个输出端与电磁阀的8个线圈相连，通过编程，使电磁阀各线圈按一定序列激励，从而使机械手按预先安排的动作序列工作.如果欲改变机械手的动作，不需改变接线，只需将程序中动作代码及顺序稍加修改即可。

另外 ，除抓放外，其余六个动作末端均放置一限位开关，以检测动作是否到位，如果某动作没有到位，则出错指示灯亮。

2、工业机械手的工作流程 此机械手用于冲床的上下料。

当按下机械手启动按钮之后，机械手有如下动作: 先右转至右限位开关动作(1DT通电) →下降至下限位开关(5DT通电) → 手腕逆时针转动90°(7DT通电) →手臂伸长至限位开关(3DT通电) →检查有无物品，若有物品，手爪抓紧(9DT通电) →手臂收缩至限位开关(4DT通电) →上升至上限位开关(6DT通电) →左转至左限位开关动作(2DT通电) →手腕顺时针转动90° (8DT通电) →手臂伸长至最长(3DT通电) →手爪松开(IODT通电) →延时T →手臂收缩最短(4DT通电)。至此，一个工作循环完毕。

3、机械手工作时序图如附图所示。

4, I/0分配 根据系统输入输出点的数目，选用OMRONC 28P型PC，它有16个输入点， 标号为0000^0015; 12个输出点，标号为0500-0511. 5、梯形图设计(如附图所示) 根据机械手的逻辑时序图及1/0分配，画出控制梯形图，如附图所示。由梯 形图可以看出: (1)手臂左转的条件:左转不到位(0003为OFF)，收缩到位(0006为ON),上升到位(0007为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON),无右转命令(0501为OFF). (2)手臂右转的条件:右转不到位(0004为OFF)，上升到位(0007为ON),收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF),无左转命令(0500为OFF). (3)手臂伸长的条件:伸长不到位(0005为OFF)，无收缩命令(0503为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪放松(0002为OFF); 2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪抓紧(0002为ON). (4)手臂收缩的条件:收缩不到位(0006为OFF)，无伸长命令(0502为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON); 2)左转到位(0003为ON)，上升到位(0007为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，手腕顺转到位(0010为ON). (5)手臂上升的条件:上升不到位(0007为OFF)，无下降命令(0505为OFF)，收缩到位(0006为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，手爪抓紧(0002为ON)，右转到位(0004为ON). (6)手臂下降的条件:下降不到位(0008为OFF)，无上升命令(0504为OFF)，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，手爪放松(0002为OFF). (7)手腕逆转的条件:逆转不到位(0009为OFF)，无顺转命令(0507为OFF)，右转到位(0004为ON)，收缩到位(0006为ON)，下降到位(0008为ON),手爪放松(0002为OFF). (8)手腕顺转的条件:顺转不到位(0010为OFF)，无逆转命令(0506为OFF)，左转到位(0003为ON)，收缩到位(0006为ON)，上升到位(0007为ON),手爪抓紧(0002为ON). (9)手爪抓紧的条件:手爪未抓到物品(0002为OFF)，无放松命令(0509为OFF)，并且满足下列条件之一:1)右转到位(0004为ON)，伸长到位(0005为ON)，下降到位(0008为ON)，手腕逆转到位(0009为ON)，检测到有物品(0011为ON), 2)左转到位(0003为ON)，伸长到位(0005为ON)，上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON) (9)手爪放松的条件:手爪抓紧(0002为ON)，无抓紧命令(0508为OFF),并且满足下列条件之一:1)左转到位(0003为ON)，伸长到位(0005为ON),上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON). 2)左转到位(0003为ON),上升到位(0007为ON)，手腕顺转到位(0010为ON)，收缩到位(0006为ON).另外，当按下停止按钮时，手臂停止动作，即手臂停止在不定的位置。

6、机械手控制程序 机械手控制程序：
第七章 机械手的结构 7.1机械手的主要组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。〖9〗 （1、）执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如7.1所示。

图7.1机构简图 ① 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

② 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。

③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。

⑤ 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。

（2、）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

（3、）控制系统：控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

7.2工业机械手的分类 （1、）根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类：
① 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。

② 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。

③ 通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。

（2、）按功能分类 ① 专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。

② 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。

③ 示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。

（3、）按驱动方式分 ① 液压传动机械手 ② 气压传动机械手 ③ 机械传动机械手 （4、）按控制方式分 ① 固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。

② 可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变。

毕业设计感想 两个月的毕业设计转眼间就到了扫尾阶段，在这两个月的设计学习过程中，我取得了长足的进步。

我的毕业设计的课题是机械手的设计，这是一个我以前所没有接触的。我对它来说完全是一个陌生者，经过指导老师的帮助和对参考资料的拜读，我已经对机械手有了一定的了解[2]。

机械自动化作为工业发展的一个方向，它有着广阔的市场，属于实际需要去研制的一种项目。机械手能模仿人体上肢的某些动作，就需要有一定的灵敏度，对设计的要求较高。通过这次设计，提高了我分析和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法，培养了我们正确使用机身材料、国家标准、图册等工具书的能力。

毕业设计是对未来工作的一种模拟。

通过这次设计，我对未来所从事的工作充满了信心！ 参考资料 1、《机械设计手册3》 机械工业出版社,徐灏主编 2、《机械设计手册4》 机械工业出版社,徐灏主编 3、《机械设计手册5》 机械工业出版社,徐灏主编 4、《工业机器人》 北京理工大学出版社,张建民著 5、《工业机械手-机械结构上》 上海科学技术出版社 《工业机械手》编写组 6、《机床设计手册3》,部件、机构及总体设计 机械工业出版 《机床设计手册》编写组 7、《液压传动》 机械工业出版社,丁树模主编 8、《机械制图》 大连理工大学工程画教教研室 高等教育出版社 9、《毕业设计指导书》 青岛海洋出版社 李恒权、朱明臣、王德云主编 10、《机械基础》 中国劳动出版社，王栋梁主编 11、《solidworks设计与应用》 电子工业出版社 隆生主编 12、《机械制造技术》 机械工业出版社，黄鹤汀主编