毕业设计论文-液压机械手的设计论文

1 前言

机械手是在自动化生产加工过程中使用的一种，具有抓取和移动工件功能的自动化装置。近年来，随着科学技术特别是电子计算机的广泛发展应用，机器人和机械手的研制和生产已成为高技术领域内发展起来的一门新兴科学技术，它们的发展更加促进了机械手技术的进步，使得机械手能更好的实现与机械化自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。因此得到越来越广泛的应用[1]。

1.1机械手的基本概念

机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。我国国家标准(GB/T 12643-90)对机械手的定义:“具有和人手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体，或进行其它操作的机械装置[1]。

1.2机械手的研究现状

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能够更好的实现与机械化和自动化的有机结合。

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，是一门跨学科综合性技术。

现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为主题。化工等连续生产过程的自动化已基本得到解决，但在加工、装配等生产过程中是不连续的。因此，卸载、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。

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、累等生产条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统[2]。

1.3 机械手的发展趋势

机械结构不断向模块化、可重构化发展。比如关节模块中伺服电机、减速机和检测系统三位一体化；由关节模块以及连杆模块用重组方式构造机器人整体机构。机器人控制系统不断向基于PC机的开放型的控制器方向发展，便于标准化和网络化；器件集成度提高，及控制柜逐渐小巧，并且采用模块化结构，很大程度提高了系统的可靠性、易操作性以及可维修性。机器人传感器作用日益重要，除采用传统地位置、速

度和加速度等传感器外，装配、焊接机器人还添加了视觉和力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉和触觉等多传感器的融合技术来进行控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件[4]。

1.4机械手的组成

本机械手属于专用类工业机械手，它主要由执行系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。下面对这三个方面逐一进行分析、研究[3]。

1.4.1执行系统

（1）手部

手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把手臂的动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。

机械手手部的机构为模仿人的手指，分为无关节式，固定关节式和自由关节式三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。并且可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作工作需要。

（2）手臂

手臂有无关节手臂和有关节手臂之分。

手臂的作用是引导手指准确的抓取工件，并搬运到所需的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。

机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个自由度的定位上均采用行程开关控制，以保证定位的精度。

1.4.2驱动系统

驱动系统主要有四种：液压驱动、气压驱动、电力传动和机械传动。其中以液压和气压驱动用的最多，电动、机械传动用得较少。

（1）液压驱动：主要是通过油缸、阀、油泵和油箱实现传动。

优点：压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止；

缺点：需要配备压力源，系统复杂，不易维修，成本高。

（2）气压驱动：采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别采用8-10个大气压。

优点：气源方便，维护简单，成本低；

缺点：难以实现中间停止，只能用于点位控制，润滑性差。

（3）电力传动：一般利用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构。

优点：动力源简单，使用、维护方便；

缺点：控制响应速度比较慢。

（4）机械传动：只用于固定场合，一般用凸轮连杆机构实现规定动作。

优点：动作可靠，速度高，成本低；

缺点：不易调整。

本设计所指的机械手采用液压驱动方式。

1.4.3控制系统

控制系统主要是通过对驱动系统的控制使执行系统按照规定的程序进行工作，并检测其工作位置正确与否。

控制系统的主要因素包括：工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。编制程序并加以存储，然后机械手按照给定的程序进行工作。位置检测装置主要检测机械手各运动部件位置是否准确，并及时反馈给控制系统[6]。

1.5机械手的分类

1.5.1 按用途分类

机械手可分为通用和专用机械手两种。其中，通用机械手是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在性能范围内，其动作程序是可变的，即通过调整结构可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。而专用机械手是附属于主机的、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、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加工中心”等[7]。

1.5.2 按驱动方式分类

可分为液压驱动、气压驱动、机械传动和电力传动四大类。其中，液压驱动机械手是以体的压力来驱动执行机构运动的机械手。特点是压力大、抓重大、运动平稳，