油泵凸轮轴加工自动线送料机械手设计

本科生毕业论文（设计）题目：凸轮轴自动线机械手设计
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专业：机械设计制造及其自动化
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摘要
随着工业自动化的发展，工业机械手的应用越来越普遍，已被广泛地应用于各行各业的工矿企业中。

本文主要针对用于油泵凸轮轴自动线上，在相邻工位间搬运工件的机械手进行设计。

首先，简要介绍了机械手的基本概念、机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。

其次，本文通过机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数；完成了油泵凸轮轴自动线机械手的总体方案设计。

再次，完成了机械手的手部、臂部和机身的结构设计。

最后，通过对机械手的动作行程分析，完成了机械手的液压缸设计和液压元件的选择；设计了可满足机械手循环动作要求的液压系统原理图和电气控制图。

关键字：机械手液压缸液压系统直角坐标
目录
1 绪论 (1)
1.1前言 (1)
1.2工业机械手的简史 (1)
1.3机械手的组成和分类 (2)
1.3.1机械手的组成 (2)
1.3.2机械手的分类 (3)
1.4工业机械手的发展趋势 (5)
1.5本文主要研究内容 (7)
1.6本章小结 (7)
2 机械手总体设计方案 (8)
2.1机械手基本形式的选择 (8)
2.2机械手的主要部件及运动 (8)
2.3驱动机构的选择 (8)
2.4机械手的技术参数 (8)
2.5本章小结 (9)
3 手部、臂部和机身结构设计 (10)
3.1手部结构设计 (10)
3.1.1手部设计的基本要求 (10)
3.1.2手抓类型及夹紧装置的选择 (11)
3.1.3手部驱动力的计算 (12)
3.2臂部结构设计 (13)
3.2.1臂部设计原则 (13)
3.2.2臂部具体设计方案及计算 (14)
3.3机身机构设计 (16)
3.4本章小结 (16)
4 驱动控制系统设计 (17)
4.1拟定液压系统原理图 (17)
4.1.1机械手动作行程分析 (17)
4.1.2液压系统原理图设计 (17)
4.1.3液压系统电磁阀动作顺序表 (20)
4.1.4液压系统工作原理 (20)
4.2电气控制系统 (23)
4.2.1电气系统图 (23)
4.2.2电气系统工作原理 (24)
4.3液压缸设计 (27)
4.3.1液压缸主要参数的确定 (27)
4.3.2液压缸强度的校核 (28)
4.4液压元件的选择 (29)
4.4.1动力元件——液压泵 (29)
4.4.2控制元件——方向阀、压力阀 (30)
4.4.3辅助元件 (31)
4.5本章小结 (32)
结论 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附图 (36)
1 绪论
1.1 前言
用于再现人手功能的技术装置称为机械手[1]。

机械手是模仿人手的部分动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手[2]。

生产中应用机械手可以提高生产的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；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用[3]。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用[4]。

1.2 工业机械手的简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品[5]。

机械手首先从美国开始研制，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

在此基础上美国通过不断改进完善，研制出一系列新的机械手，美国的研制十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，
降低成本。

德国从1970年开始再制造行业应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型的机械手后，便开始大力进行机械手的研究。

据报道，1979年从事机械手研究工作的大专院校、研究单位多达50多个；1979年日本机械手的产值达到443亿日元，产量为14535台。

使用机械手最多的行业是汽车工业，其次是电机、电器和电子行业。

到目前在日本工作的工业机械手已有100万台左右。

目前随着电子计算机和电信设备的不断发展，工业机械手应用也不断扩大，正逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。

1.3 机械手的组成和分类
1.3.1机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制系统三部分组成[6]。

（一）执行机构
机械手的执行机构主要包括：手部、腕部、臂部和机身。

1、手部直接与工件接触的部分，一般为回转式或平动式。

手部多为两指（也有多指），更具需要可分为外抓式和内抓式两种。

传力机构主要包括：杠杆式、齿轮齿条式、四缸落幕式、弹簧式和重力式。

2、腕部是连接手部和臂部的部件，可以用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围。

对于一些动作较为简单的专用机械手，为简化结构，可以不设腕部，直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

3、臂部它的作用是支撑腕部和手部（包括工具或卡具），并带动它们做空间运动。

臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现。

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。

（二）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以分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。

采用液压机构驱动的机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

（三）控制系统
机械手的控制分为点动控制和连续控制两种方式。

大多采用插销板进行点位控制，也有采用微机进行程序控制的。

控制系统主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.3.2 机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

(一)按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
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、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。

2、通用机械手
它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。

通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，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。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

(二)按驱动方式分
1、液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、液压传动机械手是以压缩液压油的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。

但是，由于液压油具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。

它主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

它常被用于工作主机的上、下料。

4、电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱
动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前途。

(三)按控制方式分
1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制[7]。

1.4 工业机械手的发展趋势
近年来，国内外的研究主要集中于工业机械手（第三工业机械手）的研究，并具有如下几个趋势:
(1)工业机械手性能不断提高(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65万美元。

(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械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。

(3)工业机械手控制系统向基于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)机械手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、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。

(6)当代遥控机械手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械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)机械手化机械开始兴起。

从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。

以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。

因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全
面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。

其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。

但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中[8]。

1.5 本文主要研究内容
通过学习，掌握了机械手的工作原理和运动机理。

在此基础上，进一步了解油泵凸轮轴自动线的加工流程，分析确定了所设计机械手的动作程序及相关参数；完成了机械手机械方面（包括执行机构、驱动机构和控制系统）的设计工作。

1.6 本章小结
本章简要介绍了机械手的基本概念、机械手的组成和分类，以及工业机械手的简史和发展趋势。

简要地叙述了本文的主要研究内容。

2 机械手总体设计方案
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标型机械手；（4）多关节型机械手。

本设计机械手的动作主要包括：手抓张合和三个相互垂直的平移运动（升降、左右和前后），选用直角坐标型机械手。

本论文机械手的总体结构详见附图1（机械手装配图）。

2.2 机械手的主要部件及运动
本设计机械手主要包含如下4个动作：手抓张合、手臂上下伸缩、手臂左右移动和手臂前后移动。

本设计机械手主要由3大部件和3个液压缸组成：（1）手部通过弹簧实现手抓的张合。

（2）臂部采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂的左右移动和上下伸缩。

（3）机身采用直线缸来实现手臂的前后移动。

2.3 驱动机构的选择
根据动力源的不同，机械手的驱动机构大致可以分为液压、气动、电动和机械驱动四类。

由于液压驱动的机械手具有结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便和驱动力大等优点，所以本设计机械手的驱动机构选用液压驱动。

2.4 机械手的技术参数
1、抓重：3Kg(夹持式手部夹持凸轮轴直径Ф30±0.5mm)
2、自由度数：4个（手抓张合、手臂上下、左右和前后移动）
3、坐标形式：直角坐标
4、手臂运动参数
手臂左右行程：50mm
手臂上下行程：350mm
手臂前后行程：915mm
2.5 本章小结
本章对油泵凸轮轴自动线机械手进行了总体方案设计。

通过机械手的动作分析，确定了机械手的坐标形式、自由度和驱动机构，确定了机械手的主要技术参数。

3 手部、臂部和机身结构设计
3.1 手部结构设计
本文设计的机械手属于专用机械手，根究其所搬运的工件（油泵凸轮轴）属于棒性材料，故采用弹簧夹紧的夹持式手部结构。

3.1.1手部设计的基本要求
(一)具有足够的握力(即夹紧力)
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。

手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。

对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。

例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳[9]。

（五）要求结构紧凑、重量轻、效率高
在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手部的负荷。

夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。

当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，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。

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，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2手抓类型及夹紧装置的选择
常用的机械手的手部，按照握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合本方案。

考虑本设计机械手夹取工件的重量为3Kg,且为圆棒型材料，机械手采取夹持式手指。

夹持式机械手按运动方式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单适于夹持平板方料，且工件经向尺寸变化不影响其中心的位置，其理论夹持误差为零。

但采用此种结构，驱动力需要加在手指移动方向上，会使结构变得复杂且体积庞大，显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选用二指回转型手抓。

夹紧装置采用常闭式夹紧装置，它在弹簧作用下机械手手抓闭合，在抓取工件时依靠手抓运动的惯性力和手臂的驱动力使手抓张开，抓取工件后，靠弹簧力夹紧工件。

其结构如附图3.1所示。

图3.1 夹紧机械手剖面图
本论文所设计的机械手的手部包括：1个定位机械手（见附图2）和2个夹紧机械手（见附图3）。

3.1.3手部驱动力的计算
本课题液压机械手所抓取搬运工件的重量G=3㎏。

（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为[10]:
N≥K
1K
2
K
3
G kgf≈12N (3-1)
K
1
----- 1.2－2
K
2
-----动载系数，主要考虑惯性力的影响，可以按照
K
2
=1+a/g 计算。

其中：a为搬运工件过程中的加速度，g为重力加速度。

K
-----方位系数《机械工程手册表56.2-3》
3
G------被抓工件的重量
（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:
N=0.5Gtg（Φ-φ） (3-2) 所以： P=（2b/R）×N≈147 N
3.2 臂部结构设计
3.2.1臂部设计原则
机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。

在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；
1.应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。

2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。

工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。

但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。

3.为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。

目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。

碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。

目前比较有效的办法是用有限元法进行
机械手手臂结构的优化设计。

在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。

4.机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。

因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。

5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。

在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。

6.机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

3.2.2臂部具体设计方案及计算
（一）具体设计方案
根据机械手实际工作需要，确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。

机械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）组成。

直线运动一般通过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。

考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中，仅3KG，属中型重量；同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。

本设计选择液压驱动方式，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，控制简单，易于实现计算机的控制。

具体的设计方案为：机械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动，通过2个相互垂直的液压缸来实现。

其中:大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降，小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。

同时，因为控制和具体工作的要求，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，。