凸轮机械手设计

本科毕业设计（论文）通过答辩
设计说明书
课题：凸轮机械手设计
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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)
引言
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

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。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。

在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

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。

机械手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。

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：
θ
βsin 2cos min
max L 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 ⨯⨯⨯⨯=32110
G ——抓重 Kg
K 1
——夹紧方位系数 K
2——惯性力影响系数 K 3——安全系数取1.5～2
g a K +=12
a ——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=K
V 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()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 ²cm ）
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
J
1 ——手爪、手腕的转动惯量 J
2 ——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 ²cm ）
N N 21
——轴承处的约束反力 D D 2
1——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。

（三）手臂设计
1.机械手手臂应满足的基本要求：
力学方面要有足够的刚度，重量要轻，运动要稳定，结构要美观，使用安全，维护方便，造价经济。

2.为满足基本要求而采取的机构、工艺性措施
手臂是机械手执行机构中的重要部件，它的作用是将被抓取的工件传送到给定的位置和方位上，因而一般机械手臂有三个自由度，即手指伸缩、手臂的左右回转和上下运动。

手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现。

因此它不仅要承受被抓取工件的重量，而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。

所以必须根据机械手的抓取重量，运动形式，运动速度及定位精度的要求来设计手臂的机构形式。

3.手臂伸缩运动的结构设计
按手臂的结构形式分：单臂、双臂及悬挂式。

按手臂的运动分：手臂有直线运动的，如：手臂的左右回转，上下摆动；有复合运动，如：直线运动和回转运动组合，两直线运动组合，两回转运动组合。

a.驱动机构的结构形式如下图：
b.驱动机构的运动学计算
F F P 惯摩∑+∑=
dhp K f F π⨯⨯=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3
V 型密封f=1 K=1.6
O 型密封F 摩=0.3P
h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和）
d ——活塞杆直径
D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
t V g G F ∆∆⨯∑=惯
△V ——速度变化值（选最大值）
△t ——变化时间0.1～0.5
导向机构的形式与结构：
液压驱动的机械手臂在进行伸缩时，为了防止手臂绕轴线发生转动，以保证手指的正确方向并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，一增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向装置，它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取等重要因素加以确定；同时在结构设计和布局上，应尽量减少运动部件上的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量。

单导向杆：
采用单导向杆的结构通常比较简单，另外增加手臂的刚性和导向性，但由于要考虑结构的对称性，否则手臂会在运动是发生转动，造成手臂的转位误差，由于本次设计对手臂周向回转有一定的要求，因此单导向的导向装置不宜采用。

双导向杆：
为了手臂受力均衡，往往采用双导向杆，它可以配置在手臂伸缩的液压缸两侧，并兼顾手部和油路的管道外形比较整齐，对伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支撑架，以提高导向杆的刚性。

在本次结构设计中，对机械手的外形要求比较低。

因此，采用双导向结构。

为了加工方便且不影响机械手的使用要求，把导向杆设置为外置式。

四导向杆：
对抓取较大的手臂采用四导向杆，以加强刚性，在本次设计中，
由于机械手臂的质量中心不于几何中心重合，易发生翻转变形，影响机械手的正常工作，考虑到传动的平稳性，但由于为实验装置且四导向杆质量太大，所以不宜采用。

其他形式的导向装置：
除上述几种的导向装置外，还有的机械手根据工作条件和实际可能，选用燕尾型的滑枕进行导向，导向性好，工作平稳。

此外，也采用花键轴，导向套大直径套筒加导向键导向，以及带“V ”型槽的框形导向结构等形式的导向方式。

在此设计中，由于要求结构简单，安装方便，故均不予考虑。

（3）导向杆机构动力管路设计
a.管路的类型
管路的类型可分为活动软管、伸缩油管等。

b.管路类型的特点及说明
活动软管的特点是：装拆方便、维修方便、抗震性好。

使用上要用管夹，占据空间尺寸大，外观差，不安全。

伸缩油管的特点是：安全性好、外观整齐、但工艺性差。

（4）手臂伸缩驱动力的计算
dhp K f F π⨯⨯=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3
V 型密封f=1 K=1.6
O 型密封F 摩=0.3P
h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和）
d ——活塞杆直径
D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
t V g G F ∆∆⨯∑=惯
△V ——速度变化值（选最大值）
△t ——变化时间0.1～0.5
（5）伸缩机构主要构件结构强度计算
F F P 惯摩∑+∑=
4.手臂升降运动的结构设计
（1）升降机构的结构形式
机械手手臂的升降运动属于直线运动，而实现手臂的往复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油缸或气缸，活塞缸和齿轮齿条机构，丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。

a.液压缸（油缸）
实现直线往复运动可采用液压式或气压式驱动的活塞油缸，由于活塞油缸的体积小，重量轻，因而在机械手的手臂结构中应用较多。

本次设计采用活塞气缸推动一块能沿导向杆移动，此结构简单，受力也简单，结构紧凑，传动平稳。

b.活塞缸和齿轮齿条机构
在手臂的升降运动中，为了使手臂移动的距离和速度有定值的增加，可以采用齿轮齿条传动的倍增机构，在要求工作行程大，运动速度快的冲压机械手上常用此机械手作为手臂升降运动机构。

在本设计
中不予考虑。

c.丝杆螺母机构
丝杆螺母传动其位移具有较高的准确性，由于丝杆螺母机构是连续的面接触，传动中不会产生冲击，传动平稳，无噪声，并能自锁，因为丝杆螺母螺旋升角较小，所以用较小的驱动力矩，可以获得较大的牵引力。

此外，丝杆螺母的螺旋面之间的摩擦为滑动摩擦，故传动效率低，如果采用滚珠丝杆可提高效率，而且传动精度和定位精度均提高，在传动时灵敏读和平稳性也很好，由于磨损小，使用寿命较长，但丝杆螺母的材料、热处理和加工工艺要求很高，故成本很高。

在本设计中不予考虑。

d.活塞杆和连杆机构
由活塞杆驱动连杆机构，使手臂实现升降运动，并可以获得较大的行程。

综上所述，本设计中选取液压缸。

液压缸的选用：要考虑到压力、流量、活塞的运动速度，活塞的最大允许行程和液压缸的总效率。

油液作用在单位面积上的压强p=P/A
，也是动态实验压力，是液压缸在瞬间所能承受的最高允许压力p
max
极限压力。

各国规范通常规定为p
≤1.5PN MPa
max
液压缸的压力等级分为：低压，压力范围0～2.5MPa
中压，压力范围2.5～8MPa
中高压，压力范围8～16MPa
高压，压力范围16～32MPa
液压缸的流量为Q=V/t L/min
液压缸的活塞运动速度v=Q/A m/min
液压缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下：
1.有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态实验压力而不致产生永久变形。

2.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。

3.内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损小，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。

液压缸的密封元件材料一般选用氟碳橡胶。

液压缸的工作介质在常温下一般采用石油型液压油。

在高温下采用难燃液及特殊结构液压缸。

（2）升降运动驱动力的计算
dhp K f F π⨯⨯=摩
f ——摩擦系数 Y 型密封f=0.1 K=0.3
V 型密封f=1 K=1.6
O 型密封F 摩=0.3P
h ——有效密封宽度（密封件接触长度之和）
d ——活塞杆直径
D ——活塞直径
p ——工作压力（N/mm ）Map
t V g G F ∆∆⨯∑=惯
△V ——速度变化值（选最大值）
△t ——变化时间0.1～0.5
（3）手臂机构主要构件结构强度计算
W P F F ±∑+∑=惯摩
W ——手臂重力，下降为主动力用“-”上升为阻力用“+”
5.手臂回转运动的结构设计
（1）回转运动驱动机构结构形式
回转运动的结构形式分为：叶片式摆缸直接驱动、摆缸与行星齿轮的驱动方式、齿轮齿条的驱动方式和直缸直接推动的驱动方式。

它们的优点是：叶片式摆缸直接驱动优点是机构紧凑、速度调整方便；缺点是回转角度小于360°，内泄漏大。

摆缸和行星齿轮驱动的优点是传动平稳，齿轮齿条驱动的优点是回转角度大、驱动力大；缺点是结构尺寸大。

（2）回转运动驱动力矩及其回转机构主要零部件力学计算 M M M
惯摩驱+= a. ()t w Jc p g G M ∆⨯+⨯=惯 （N ²M ）
G ——手臂回转运动件的总重量Kg
g ——重力加速度≈10m/s
p ——回转半径（重心到回转轴的距离）
w ——起动后手臂回转最大角速度△t=0.1～0.5s
手臂回转件的转动惯量为：
Jc ≈md/4
M ——质量
D ——回转直径
b. p p F M N f 1
1⨯∑⨯=⨯=摩摩 f=0.1（滑动）
ΣN ——两支点上反力总和
p 1——摩擦点到回转中心的距离
G ³p=N ³H
6.手臂设计的综合评价
从手臂的结构形式、动力装置、外形尺寸、工艺性、经济性、标准化等诸方面分析，突出重点。

从手臂的结构形式来分可分为：手爪、手臂、手腕、立柱、行走机构等。

手臂的动力装置为液压驱动，它的外形尺寸不大，占地空间小，工作范围也小。

工艺性好，材料便宜，经济合理，零件加工方便。

（四）缓冲装置设计
1.缓冲方式的确定
了解弹性元件缓冲；缸体内部结构缓冲；节流回路缓冲、油压缓冲器缓冲等。

a.弹性元件缓冲：
元件：弹簧、橡胶垫、波纹管
基本原理：通过吸收动能实现缓冲 回转物件：w J E 2121=
移动物件：221Mv E = 弹性能：λmax max 21⨯=P E
P max ：弹性最大工作载荷
λmax
：最大变形 特点：结构简单，但缓冲行程小，定位不准，职能用于辅助装置。

b.油缸端部节流缓冲
它的原理图如下：
它的设计要求：
缓冲腔内油液要能吸收运动部件的全部能量；缓冲腔内冲击压力小于油缸的压力；缓冲腔内减加速度要符合机械手对运动的要求。

设计步骤
确定减加速度：高速轻负荷小于0.9m/s
低速重负荷小于0.2m/s 计算缓冲时间：a V t =1应满足于生产节拍的要求。

缓冲行程：a V L 221=
确定缓冲柱塞面积
()2^1
1M L P E A ⨯=平缓 P P
24.1≤平 P 2：回游腔压力。