四自由度圆柱坐标机械手毕业设计说明书

四自由度圆柱坐标机械手毕业设计说明书合肥工业大学毕业设计说明书目次1 绪论 (1)1.1 工业机械手的概述 (1)1.2 工业机械手在生产中的应用 (1)1.3 机械手的组成概述 (2)1.4 工业机械手的发展趋势 (3)2 总体设计方案 (4)2.1 设计题目 (4)2.2 初始参数与设计要求 (4)2.3 方案拟定 (5)3 机械手手部设计计算 (6)3.1 手部设计基本要求 (6)3.2 手部力学分析 (7)3.3 夹紧力及驱动力的计算 (8)3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 (9)4 机械手腕部设计计算 (11)4.1 腕部设计基本要求 (11)4.2 腕部结构的选择 (11)4.3 腕部回转力矩的计算 (12)5 机械手臂部设计计算 (16)5.1 机械手臂部设计的基本要求 (16)5.2 手臂的典型机构及结构的选择 (16)5.3 手臂伸缩驱动力计算 (17)5.4 手臂伸缩油缸结构的确定 (19)5.5 油缸端盖的连接方式及强度计算 (21)6 机身设计与计算 (23)6.1 机身的整体设计 (23)6.2 机身回转机构的设计计算 (25)6.3 机身升降机构的设计计算 (28)7 液压驱动系统的计算 (31)7.1 绘制液压系统的工况图 (31)7.2 计算和选择液压元件 (36)总结 (38)致谢 (38)参考资料 (39)1 绪论1．1 工业机械手的概述工业机械手在先进制造技术领域中扮演着极其重要的角色，是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支，它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

1．2 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。

机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。

各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。

可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。

据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。

从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

具体应用在以下几方面：(1) 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线(2) 在实现单机自动化方面(3) 铸、锻、焊热处理等热加工方面1．3 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

1.3.1 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。

1.3.2 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。

1.3.3 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 工业机械手的发展趋势(1) 工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。

例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。

(3) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

(4) 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

(5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

2 总体设计方案2．1 设计题目：圆柱坐标式四自由度机械手设计2．2 初始参数与设计要求1、抓重：250N2、自由度：4个3、臂部运动参数：表2-1运动名称符号行程范围速度伸缩X 0~500mm <300mm/s升降Z 0~330mm <60mm/s回转Φ0 º ~210º<70 º /s4、腕部运动参数：表2-2运动名称符号行程范围速度回转 0 º ~180º 90 º /s5、手指夹持范围：棒料，Φ65mm~Φ85mm6、定位方式：缓冲，死挡块定位7、驱动方式：液压（中、低压系统）8、定位精度：±3mm2．3 方案拟定2.3.1 初步分析机械手抓重为250N，按工业机械手的分类，属于中型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。

由表2-1和表2-2、及机械手的各规格参数可以了解到，设计方案为通用型机械手，其通用性强，应用范围广，自身体积和重量适中，成本适中，维修较容易。

圆柱坐标式机械手与直角坐标式械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。

但由于机械手的结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的对象。

2.3.2 拟定方案由初始参数拟定整体设计方案通用机械手是3~6个自由度，而本次设计为4由度圆柱坐标机械手，其大致结构如图2-1，运动简图如图2-2：图2-1 图2-22.3.3 执行机构(1) 手部即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，也有吸盘式和电磁式结构，本次选用结构简单的两支点回转型结构。

手部为二指。

传力机构常用有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

本次选用滑槽杠杆式机构。

(2)腕部连接手部与手臂的部件。

要求0~180°的回转动作，因此选用具有单自由度的回转液压缸驱动结构。

此结构特点是结构紧凑，灵活。

(3)臂部臂部是机械手的主要执行部件。

他的作用是支撑腕部和手部（包括工件与工具）。

并带动他们作空间运动。

臂部设计的基本要求为：a 承载能力大，刚度好，自重轻b 运动速度高，惯性小c 动作灵活手臂动作应灵活d 位置精度要高因此，本设计选用双导向杆手臂伸缩结构与双作用液压缸。

其特点为手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。

2.3.4 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动。

根据课题特点，本设计选用液压驱动，其特点是速度快，结构简单，控制方便，传递力矩大，并且控制精度高。

3 机械手手部设计计算3．1 手部设计基本要求(1) 应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需要的驱动力大小是不同的。

(2) 手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。

(3) 在保证本身刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，以利于减轻手臂负载。

(4) 应保证手抓的夹持精度。

3．2 手部力学分析通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置采用常开式夹紧装置，他在弹簧的作用下手抓闭合下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3-1(a)为常见的滑槽杠杆式手部结构。

αααααα(a)(b)图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析1——手指 2——销轴 3——杠杆在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。