[整理]三自由度机械手设计.

设计说明书课题：凸轮轴加工自动线机械手班级：数控69902设计：沈晓春审核：二00五年九月目录一、目录 (2)二、前言 (3)（一）机械手的用途说明 (3)（二）设计机械手的目的、意义 (3)（三）设计指导思想应达到的技术性能要求 (4)三、设计方案论证 (5)（一）机械手的原始依据 (5)（二）机械手的运动方案论证 (6)四、机械手各组成部件设计计算 (8)（一）抓取机械设计 (8)（二）手腕机构 (12)（三）手臂设计 (14)（四）缓冲装置设计 (22)（五）定位机构设计 (25)（六）机械手驱动系统设计 (25)五、机械手控制系统设计 (25)六、设计总结 (26)七、参考文献 (27)二、前言（一）机械手的用途说明机械手是模仿人手工作的机械设备。

实验用机械手的设计，是指机械手臂在一定范围内的摆动，手臂的垂直方向的上下移动及手爪的伸缩运动组成。

由启动系统实现各运动的驱动。

它的主要作用是将工件按预定的程序自动地搬运到需要的位置，或者保持工具进行工作。

机械手是利用PLC控制整个系统实现各种运动的自动化控制，且能用于教学演示。

（二）机械手的目的、意义机械手是模仿人手的动作，生产中应用机械手可以提高自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在恶劣的劳动条件下，它代替人作业的意义更加重大。

因此，在机械加工中得到越来越广泛的应用。

目的是，我们对机械手的设计步骤有一定的平衡了解；也能基本掌握机械设计的方法；综合运用学过的理论知识；全面复习绘图技巧，并较好的运用于毕业设计绘图上。

通过这次设计，使我了解到，自动控制的对象主要是单机或某个生产过程，智能控制则包括控制对象及整个工作环境或整个生产过程；自动控制的目标是使在系统控制的某个状态下，尽量消除环境对系统的影响，智能控制关心的使最终状态或现行状态是否合乎要求。

因此，要充分考虑环境的影响；自动控制的学习来源重要是对象的状态的反馈，所以智能控制需要一个庞大的数据库；自动控制理论着重描述对象的数学模型，然后，通过各种控制算法进行控制，以达到目的，智能控制着重直接控制经验。

（三）设计的指导思想，应达到的技术性能要求结构简单：设计为三自由度的机械手臂，运动形式简单，可以把手臂设计成为沿导向装置运动，直接选用标准规格的液压缸和内胀式机械手爪，无须另行设计。

外观不要有手臂堵塞外形：设计尽量要求安装方便，各非标准件加工方便。

因此，不必设计成套形式，管道也不必安排在手臂内部，可以采用软管直接连接。

本次设计的手臂不要光用于工业生产，因此，对各部件的加工精度及安装要求不高，可以在通用机床上加工完成。

三、设计方案论证（一）机械手设计的原始数据1.组成结构机械手主要由执行机构、驱动系统以及位置检测等装置组成。

各系统的关系如图：控制系统→驱动系统→执行系统→抓取工件‖——位置检测——‖2.执行机构包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的还增设行走机构。

（1）手部：即与物体接触的部件，由物体接触的形式又可分为夹持式和吸附式手部。

（2）手腕：是连接手腕和手臂的比肩，起改变工件的空间位置的作用。

（3）手臂：支撑手腕和手臂的部件以改变工件的空间位置。

（4）立柱：支撑手臂的部件，手臂的各部分运动均与立柱有密切的关系。

（5）行走机构：为完成远距离的操作和扩大使用范围，可增设滚轮行走机构。

（6）机座：它是机械手的基础部件，机械手执行机构的各部分和驱动系统均安装在机座上，起支撑和联结作用。

3.驱动机构机械手臂的驱动系统是驱动执行机构运动的出动装置，常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。

4.控制系统有电力控制和射流控制两种，一般常见的为电力控制，这是机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息，同时按其控制系统的信息，对执行机构发出指令，必要时，对机械手的动作进行控制，当动作有错误时，发出警报信号。

5.位置检测装置控制机械手执行机械的运动位置并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置比较，然后控制系统进行调整，从而使执行机构一定的精度达到预定位置。

（二）机械手的运动方案论证1.机械手的运动形式（坐标形式）确定按机械手的运动坐标型可分：直角坐标系式机械手、圆柱坐标系式机械手、极坐标式机械手、关节式机械手。

直角坐标式机械手：臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦臂部可以前后伸缩，左右移动，上下升降。

采用此种坐标形工作范围小，占地空间大，定位精度好，应用较多，适用于空间布置或与自动线配合。

极坐标式机械手：手臂可以沿直角坐标轴的X方向运动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦手臂可前后伸缩，上下摆动，左右移动。

采用此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定位精度差，应用少。

关节式机械手：这种机械手的臂部可分为大臂和小臂，其中大臂和小臂的连接以及大臂和机体的连接均为关节式连接，亦小臂对大臂可绕肘部上下摆动一定角度，大臂可绕肩部摆动一定角度，手臂可以左右转动一定角度。

采用此种坐标形式工作范围大，占地空间小，定位精度差，应用较小。

圆柱坐标戏式机械手：这种机械手的运动由两个直线运动和一个回转运动组合而成，手臂沿X、Z方向的移动，还有手臂的水平回转。

此种机械手工作范围教大，灵活程度教高，占地面积小，结构比较简单，定位进度高，应用比较广泛，多为通用型。

因此本次设计我选用直角坐标系机械手。

机械手方案简图如下：运动符号：回转伸缩平移手爪四、机械手各组成部件设计计算（一）抓取机械设计1.抓取机械机构的基本要求要有足够的夹紧力，在确定手指的握力时，除考虑工件的重量外还应考虑在传送或操作中所产生的惯性和震动，以保证工件不致产生松动或脱落；要有足够的开合度，手指的开合度应保证工件能顺利的进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑；要保证工件在手爪中的准确位置，为使手指和被夹持的工件的反作用力外，还受到机械手在运动中所产生的惯性力和振动的影响要求是有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上以使手腕的扭转力矩最小为佳。

保证结构紧凑，重量要轻，便于更换；应考虑手指的多用性，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求可制成组合式手指。

手爪的类型可分成指爪式和吸盘式；手爪式又分外夹式和内胀式。

手爪：即与物体接触的部分，由于与物体接触的形式分为夹持式和吸附式手部。

钳式手部结构由手指传力。

机构所组成其传力形式比较多，如滑槽杠杆式、连杠杆式、斜契杠杆式、弹簧杠杆式等结构形式；按手指夹持工件的部分又可以分为内卡式和外卡式；模仿人手指的动作，手指可以分为一支点回转型、二支点回转型和移动型，其中以二支点回转型为例，而二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成一支点回转型手指。

同理，当二支点回转型手指的手指长度变为无穷长时，就变为移动型。

回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛，移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，但移动型手指夹持变化的零件时不影响其轴心的位置，其使用于不同直径的工件。

手爪的定位误差分析如图所示：θβsin 2cos min maxL R R ab +=β为偏转角，当满足上式β角时，△误差最小。

2.手爪夹紧力的计算本次设计中采用外夹式手爪，如下图所示：手爪夹紧力的计算：作用在单个手指上的作用力 1.732G/F 根据抓重大小来安排装配手指的方法。

计算式：G N K K K ⨯⨯⨯⨯=32110G ——抓重 KgK1——夹紧方位系数 K2——惯性力影响系数 K 3——安全系数取1.5～2g a K +=12a ——加速度（工件随手爪运动时产生）g ——重力加速度 取10m/s^2平钳口 水平位置放，水平位置夹时5.01=KV 钳口 水平位置放，水平位置夹时f K θsin 5.01⨯=平钳口 垂直放，水平夹时f K 5.01=水平放，垂直位置夹时fV K 5.01=V 钳口 水平放，垂直位置夹时()b a K +⨯=θtan 5.01平钳口 垂直夹，垂直放时f K 5.01=水平位置夹悬臂工件H L K 31=3.手爪的驱动装置的选择与驱动力计算目前机械手常用的驱动方式如前所述，也有其他特殊的驱动方式，如：步进电机驱动、直线电机驱动，但应用不多。

所有方式中，最常用的为液压、气动驱动方式，下面仅对这两种方式进行比较选择。

液压驱动：液压驱动的主要优点是功率大，结构简单，可省去减速装置，能直接与被动的杆件相连，，响应快，伺服驱动具有较高的精度，目前多用于机器人系统。

气压驱动：气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，同体积条件下，功率较小（固压底），且速度不易控制。

由于该装置的实验模型，环境要求无污染，材料经费相对短缺，精度和稳定性要求不是很高，启动力矩小，惯性小，尺寸小，只许点位控制且功率小，终上所述，所以选用液压驱动。

（二）手腕机构1.手腕的作用和动作手腕是连接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓紧方向，以便能从任意角度抓取工件。

因而它具有独立的自由度以便机械手适应复杂的动作要求，手腕运动有力轴转动称为回转运动。

绕Y 轴转动称为上下摆动，绕Z 轴转动它称为左右摆动。

手腕的基本运动是回转运动和直线运动。

目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的是回转气缸，它的结构紧凑，回转角度小于36度并且要求严格的密封。

设计时除应满足启动和传递过程中所需的传动力矩外，还要求手腕的结构简单、紧凑、轻巧。

另外，通过手腕气缸的管道尽量从手臂的内部通过，以便手腕转动时管道不扭转、不外露、使外型整齐。

而考虑到本次设计对手腕的外观要求不高，回转角度比较小的实际情况下，可以把气缸管道安排在外部。

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算：M M M M 摩偏惯驱++= （Kg ·cm ）M 驱——驱动手腕转动的驱动力矩M 惯——惯性力矩M 摩——手腕转动轴与支撑孔处的摩擦阻力矩M 偏——参与转动的部件的重量对轴线产生的偏重力矩 （1）手腕加速度运动时所产生的惯性力矩M 惯，手腕转动时的角度W ，启动过程的时间t 。

()t W J J M ∆∆+=21惯J1 ——手爪、手腕的转动惯量 J2 ——工件对转轴中心的转动惯量W ∆ ——手腕回转角速度变动量（可取最大值）t ∆ ——变动时间1～5s（2）手腕转动工件时工件的偏重对转动轴线的偏重力矩M 偏 E G M ⨯=偏G ——手腕抓重的重量E ——工件中心到手腕回转中心的偏心矩（3）手腕转动在轴颈处的摩擦阻力矩()D N D N M F 22112+=摩 （Kg ·cm ）N N 21 ——轴承处的约束反力D D 21——轴承直径，滑动轴承为轴颈直径，滚动轴承为滚子中心直径本次设计没有采用手腕部分，此举仅供参考。