立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)含12張CAD圖.zip
立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)含12張CAD圖.zip,立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì),12,CAD
立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
摘 要
機(jī)械手是一種能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。
機(jī)械手主要是執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分和控制部分組成。根據(jù)手臂的動(dòng)作要求，采用圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；機(jī)械手的自由度數(shù)為四個(gè)，它們是大臂的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，小臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)采用兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型；機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)?？刂品绞綖辄c(diǎn)位程序控制。本次設(shè)計(jì)主要手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過上述部分設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求。
關(guān)鍵詞:自動(dòng)上料機(jī)械手；液壓驅(qū)動(dòng)；手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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Design of hand mechanism of automatic feeding manipulator for vertical precision forging machine
Abstract
Manipulator is part of the action to simulate a human arm, according to a predetermined program, track and other requirements, crawls, porters or manipulation tools automated device.
The composition of the mechanical industry manipulator includes three parts: the mechanical part, the drive part and the the control part. According to the motion requirements of the manipulator’s arm, it has adopted cylindrical coordinate manipulator. The number of the manipulator’s freedom is four: up-down and rotating of the big arm, the straight reciprocating motion of the small arm, rotary movement of the wrist. The fingers of the manipulator have adopted the two-points sustain round structure. The power drive of manipulator is to be used is hydraulic system and control program for points control type. This design mainly consist of the structural design of hand. What I mainly design is the structural design of large arm take-off and landing and rotation, and I carry out the theoretical analysis and comparison of hydraulic system.Through the above parts of designs, the author designs a hydraulic automatic feeding manipulator of vertical forging machine to achieve the design goal.
Key Words;automatic feeding manipulator;hydraulic drive；the structural design of hand
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主要符號(hào)表
F 夾緊力
G 工件重力
安全系數(shù)
工作情況系數(shù)
方位系數(shù)
理論驅(qū)動(dòng)力
實(shí)際驅(qū)動(dòng)力
D 直徑
d 活塞桿直徑
應(yīng)力
許用應(yīng)力
S 受力面積
f 摩擦力
1
目 錄
1 緒 論 1
1.1 綜述 1
1.2 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況 1
1.2.1 國際發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 2
1.2.3 機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 2
1.3 工業(yè)機(jī)械手的簡介 3
1.3.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 3
1.3.2 工業(yè)機(jī)械手的組成 4
1.3.3 工業(yè)機(jī)械手的自由度與坐標(biāo)形式 5
1.4 課題主要的研究意義 7
1.5 本文主要研究內(nèi)容 7
2 機(jī)械手手部方案設(shè)計(jì) 9
2.1 手爪類型介紹 9
2.2 手部設(shè)計(jì)要求 14
2.3 選定手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 15
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析 16
3.1 手部計(jì)算與分析 16
3.2 手部零件分析 18
3.2.1 手部結(jié)構(gòu)與工作原理 18
3.2.2 手指選型與校核 19
3.2.3 拉緊軸受力分析與強(qiáng)度校核 22
3.2.4 軸環(huán)受力分析與強(qiáng)度校核 23
3.2.5 確定V型鉗爪的L，β 23
4 機(jī)械手其他部位設(shè)計(jì)簡介 24
4.1 手腕的設(shè)計(jì)簡介 24
4.1.1 手腕設(shè)計(jì)的基本要求 24
4.2 手臂的設(shè)計(jì)簡介 24
4.2.1.臂部伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu) 24
4.2.2 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 25
4.2.3 臂部升降運(yùn)動(dòng) 26
4.3 液壓系統(tǒng)簡介 26
4.3.1 液壓系統(tǒng)工作原理 26
4.3.2 液壓傳動(dòng)的工作特性 26
4.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn) 27
5結(jié) 論 28
參考文獻(xiàn) 29
致謝 30
V
1 緒 論
1.1 綜述
用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為機(jī)械手[1]。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手[2]。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視[3]。
機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。
機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。
1.2 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展概況
1.2.1 國際發(fā)展?fàn)顩r
工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝
2
一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可做點(diǎn)位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作[4]。
1.2.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r
我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等等。
我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍.
1.2.3 機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向
國內(nèi)外使用的實(shí)際上定位控制機(jī)械手[5]，沒有“視覺”和“觸覺”反饋。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機(jī)械手，使它能對(duì)所抓取的工件進(jìn)行分辨，選取所需要的工件，并正確的加持工件，進(jìn)而精確的在機(jī)器中定位、定向。
為使機(jī)械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件，它由視覺傳感器輸入三個(gè)視圖方向的視覺信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖形分辨，判別是不是所要抓取的工件。
為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一種是檢測把握物體手臂的變形，以選擇適當(dāng)?shù)奈樟?，另一種是直接檢測指部與物體的滑落位移，來修正握力。
因此這種機(jī)械手具有以下幾個(gè)方面的性能：
（1）能準(zhǔn)確的抓住方位彼岸哈的物體。
（2）能判斷對(duì)象的重量。
（3）能自動(dòng)劈開障礙物。
（4）抓空或抓力不足時(shí)能檢測出來。
這種具有感知能力并能對(duì)感知的信息做出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能機(jī)械手，它是有發(fā)展前途的。
現(xiàn)在工業(yè)機(jī)械手的使用范圍只限于在簡單重復(fù)的操作方面節(jié)省人力，代替人從事繁重、危險(xiǎn)的工作，在惡劣環(huán)境下尤其明顯，至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費(fèi)工的工業(yè)部門，機(jī)械手的應(yīng)用情況不能說是很好的，其原因之一是，工業(yè)機(jī)械手的性能還不能滿足這些工業(yè)部門的要求，適合機(jī)械手工作的范圍很狹小，另外經(jīng)濟(jì)性問題也很嚴(yán)重，利用機(jī)械手節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的。然而利用機(jī)械手實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求，今后還會(huì)持續(xù)增長，只要技術(shù)方面和價(jià)格方面存在的問題獲得解決，機(jī)械手的應(yīng)用必將飛躍發(fā)展[6]。
1.3 工業(yè)機(jī)械手的簡介
1.3.1 工業(yè)機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手目前在國內(nèi)是專用機(jī)械手和通用機(jī)械手的統(tǒng)稱。專用機(jī)械手是指附屬于主機(jī)、動(dòng)作程序固定，一般沒有獨(dú)立控制系統(tǒng)，只做專門用途的自動(dòng)抓取或操作裝置。通用機(jī)械手（國外泛稱工業(yè)機(jī)器人）是指程序可變的、獨(dú)立的、自動(dòng)化的抓取或操作裝置。目前多機(jī)械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各地區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩方面進(jìn)行分類：
（一） 按搬運(yùn)的工件重量（或稱臂力）分類
1． 小型的——臂力在1公斤以下；
2． 中型的——臂力在1~30公斤以內(nèi)：
3． 大型的——臂力在30公斤以上。
目前大多數(shù)的工業(yè)機(jī)械手其搬運(yùn)重量為中型的。
（二） 按機(jī)能分類
1． 簡易型通用機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。
這種機(jī)械手多為氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點(diǎn)位控制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)工作也完全夠。目前這種機(jī)械手的數(shù)量最多。
2． 示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由人工通過示教裝置領(lǐng)動(dòng)一遍，或者預(yù)先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯）把程序記錄下來，以后機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序，重復(fù)地進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。
這種機(jī)械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機(jī)械手可有較多的自由度，有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。
3． 具有視覺、觸覺的通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由電子計(jì)算機(jī)控制，裝有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感、觸覺等。
1.3.2 工業(yè)機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。
（一） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
它包括手部、腕部、臂部、立柱和基體等構(gòu)件組成：
1．手部——是夾持工件的構(gòu)件。它由手爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開動(dòng)作。夾持式手爪的形式和人的手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤（相當(dāng)于手爪），用來吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪還可以夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。
2．腕部——是聯(lián)接手部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動(dòng)和回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。特殊情況下可以增加一個(gè)橫向移動(dòng)。有的機(jī)械手沒有手腕動(dòng)作。
3．臂部——是支撐手部、腕部的構(gòu)件。機(jī)械手的臂部是為了取代人的手臂而研究設(shè)計(jì)的，但是它卻達(dá)不到象人手臂的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運(yùn)動(dòng)軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動(dòng)和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。一般手臂具有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動(dòng)等幾個(gè)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)需要可選其中一個(gè)、二個(gè)或三個(gè)運(yùn)動(dòng)。
4．立柱——是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機(jī)械手的立柱為固定不動(dòng)的，也有的因工作需要立柱作橫向移動(dòng)，此種稱可移動(dòng)式立柱。
5．行走機(jī)構(gòu)——機(jī)械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時(shí)，可增加滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)。
（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)臂部、腕部、手部的動(dòng)力源。它有氣動(dòng)、液壓、電力和機(jī)械式等四中形式，由直線缸、回轉(zhuǎn)缸、各種閥、管及管接頭等組成。
（三）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，它是支配機(jī)械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置。它必須保存或記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動(dòng)作順序，到達(dá)位置和時(shí)間信息）。機(jī)械手工作時(shí)根據(jù)這些信息對(duì)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時(shí)還可以多機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)動(dòng)作錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)可發(fā)出警告信號(hào)。
（四）行程位置檢測裝置
行程位置檢測裝置的作用是控制機(jī)械手每個(gè)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)位置，或?qū)⑦\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)位置精度的要求。
（五）輔助裝置
1．基體——是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在基體上，它起支撐作用。
2．油箱——用來儲(chǔ)存油和供油的裝置，并使油散熱和雜質(zhì)沉淀。
3．氣缸——貯存壓縮空氣。
1.3.3 工業(yè)機(jī)械手的自由度與坐標(biāo)形式
機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)可分為整機(jī)運(yùn)動(dòng)、本體運(yùn)動(dòng)、臂部運(yùn)動(dòng)、腕部運(yùn)動(dòng)、每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)稱為自由度。
一個(gè)機(jī)械手有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)就叫有幾個(gè)自由度。手爪的抓取動(dòng)作（指的是手爪的夾緊和松開）不計(jì)在自由度數(shù)目內(nèi)。
1．整機(jī)運(yùn)動(dòng)
是指整個(gè)機(jī)械手作為一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，如整機(jī)行走。
2．本體運(yùn)動(dòng)0
是指機(jī)械手的本體部分運(yùn)動(dòng)，如本體橫向運(yùn)動(dòng)（整個(gè)手臂沿Y坐標(biāo)軸的移動(dòng)）。
3．臂部運(yùn)動(dòng)
臂部一般有三個(gè)自由度，即臂部直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和上下擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。它分四種坐標(biāo)形式，即：
圖1 四種坐標(biāo)形式示意圖
直角坐標(biāo)式用（X、Y、Z）表示，機(jī)械手的臂部可做前后、左右、升降三個(gè)移動(dòng)，如圖1-a所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，但慣性較大，占用的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。
圓柱坐標(biāo)式用（X、Z、C）表示，見圖1-2b，它有二個(gè)移動(dòng)（伸縮和升降）和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種坐標(biāo)直觀性較好，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間較小，動(dòng)作范圍較大，是應(yīng)用最多的一種。
球坐標(biāo)式用（X、B、C）表示，見圖1-2c，它有一個(gè)移動(dòng)（手臂伸縮）和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（左右回轉(zhuǎn)和上下擺動(dòng)）。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動(dòng)作范圍比圓柱坐標(biāo)式更大，在通用機(jī)械手中應(yīng)用較多。
多關(guān)節(jié)式用（、、）表示，見圖1-2d，它有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)（左右旋轉(zhuǎn)、兩個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運(yùn)動(dòng)件的慣性較小，本體占空間不大，而動(dòng)作范圍大，并且可以繞過障礙物抓區(qū)工件，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置精度難于控制，故應(yīng)用比較少。
4．腕部運(yùn)動(dòng)
基本上有三個(gè)自由度，如圖1-3所示。繞X軸的運(yùn)動(dòng)叫回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)叫俯仰運(yùn)動(dòng)；繞Z軸運(yùn)動(dòng)叫左右擺動(dòng)。要確定抓區(qū)工件的空間點(diǎn)位及方位坐標(biāo)，有臂部三個(gè)自由度和腕部三個(gè)自由度就足夠了。
圖2 手腕運(yùn)動(dòng)示意圖
1.4 課題主要的研究意義
1、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度
應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
2、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。
1.5 本文主要研究內(nèi)容
本課題所設(shè)計(jì)的是立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，其用于軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在JD100立式精鍛機(jī)前。
內(nèi)容：本設(shè)計(jì)要求完成上料機(jī)械手CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成零件圖與裝配圖。
其主要參數(shù)如下：
抓重：60kg；
手指夾持范圍：mm；
8
2 機(jī)械手手部方案設(shè)計(jì)
外夾式手部是由手指，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成[8]，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個(gè)手指。手部示意圖如下：
2.1 手爪類型介紹
手爪的類型大致分為下列三種：
1．夾持式手爪：根據(jù)手爪的動(dòng)作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
2．吸附式手爪：分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
3．帶視覺或觸覺的手爪。
根據(jù)所設(shè)計(jì)課題的要求，該機(jī)械手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺或觸覺的手爪。所以重點(diǎn)在于夾持式手爪。
下面介紹一些常用的夾持式手爪結(jié)構(gòu)。
1． 杠桿滑槽式手抓結(jié)構(gòu)
圖2-1是其一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，它通過活塞桿1的銷2推動(dòng)手爪使之張開，活塞向右移動(dòng)使手爪閉合。圖2-2也是一種杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)，其原理同圖2-1一樣，只是工件形狀不同 手爪夾持部分改變相應(yīng)形狀。
圖2.1杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)
圖2.2 夾持菱形工件
圖2-3是適用于夾持模鍛或鑄造的毛坯的杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)。毛坯上的拔模斜度往往造成夾緊后在移動(dòng)過程中從手爪中甩掉，所以增加了一塊背板，并用平頭螺釘壓住，調(diào)整合理的間隙，使其手爪只能按夾緊的方向運(yùn)動(dòng)而不致扭動(dòng)。在背板上安裝三個(gè)彈性定位銷，以保證工件的穩(wěn)定定位，在手爪上安裝的V形活動(dòng)鉗口，可根據(jù)夾持不同直徑的工件進(jìn)行更換。
杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu)應(yīng)用的比較多，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈活、手爪開閉角度大、夾持工件范圍較大。
圖2.3 杠桿滑槽式手爪結(jié)構(gòu) 圖2.4連桿式手爪結(jié)構(gòu)
2． 連桿式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-4是其一種連桿手爪結(jié)構(gòu)，它有兩副手爪，分別抓在已加工的兩個(gè)軸頸上，手爪的夾緊與松開，由油缸和杠桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，杠桿連接于活塞桿末端，當(dāng)活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)通過杠桿的作用驅(qū)使手爪夾緊與松開，以便完成抓取動(dòng)作，工件在手爪內(nèi)可以自由擺動(dòng)，借其本身重心位置，使彎頭總是向下方。
圖2-5是抓取兩個(gè)工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)用單向活塞以簡化油路。圖示位置為夾緊狀態(tài)，靠彈簧松開工件。
圖2-6是為抓取短臺(tái)階式圓形零件而設(shè)計(jì)的連桿式手爪結(jié)構(gòu)，為了減少由于偏重力矩而引起夾緊不穩(wěn)的情況，在手爪上設(shè)計(jì)了一個(gè)支持小圓柱形臺(tái)階的托板。
圖2-5 抓取兩個(gè)工件的連桿式手爪結(jié)構(gòu) 圖2-6連桿式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-7是為既可抓取大直徑的工件，又可以抓取小直徑的圓柱形工件而設(shè)計(jì)的雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu)。從圖2-7中看出，活塞的運(yùn)動(dòng)在抓取不同直徑的工件時(shí)是不一樣的。當(dāng)抓取小直徑工件時(shí)，活塞是向下夾緊，向上是松開，如圖2-7b，當(dāng)抓取大直徑工件時(shí)，如圖2-7a所示，則活塞向上是夾緊，向下是松開。
上面介紹的幾種結(jié)構(gòu)所夾持的工件，都是圓形或者是對(duì)稱物體，對(duì)于非對(duì)稱或者異形的工件，
需要對(duì)手爪做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。圖2-8是夾持非對(duì)稱工件的手爪結(jié)構(gòu)圖，為了簡化管路設(shè)計(jì)，采用單向活塞，用彈簧推動(dòng)活塞使手爪松開。
圖2-7 雙活塞連桿式手爪結(jié)構(gòu)
連桿式手爪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是夾緊力大，各機(jī)件間的連接用圓柱銷，磨損較小，若設(shè)計(jì)得當(dāng)可自鎖。但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，手爪開閉角度較小，適用于抓取重量較大的工件
圖2-8連桿式手爪結(jié)構(gòu)
3．齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-9是齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖，可用液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)，夾緊油缸
活塞桿上加工出齒條，當(dāng)活塞向左移動(dòng)推動(dòng)中間齒輪旋轉(zhuǎn)，中間齒輪又帶動(dòng)扇形輪夾緊工件。圖示位置為夾緊狀態(tài)，若前腔進(jìn)油則使手爪松開。
圖2-9 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-10是夾持板塊用齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)，為了保持較大的夾緊力和手爪運(yùn)動(dòng)時(shí)保持平行移動(dòng)，采用了雙支承板結(jié)構(gòu)。
圖2-11是用彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)圖。它是由活塞桿上的齒條，直接推動(dòng)扇形輪爪，而使輪爪松開。在彈簧的拉力下使手爪常處于夾緊狀態(tài)。
圖2-10 夾持方形工件齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-11 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)
圖2-12是另外一種常彈簧復(fù)位的齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)。它在活塞桿上安裝圓形齒條，當(dāng)活塞向右移動(dòng)，齒條推動(dòng)軸上的小齒輪旋轉(zhuǎn)，而在軸上的小齒輪上鑲個(gè)扇形輪，扇形輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪帶動(dòng)爪體往中心平行移動(dòng)，使手爪卡緊工件。當(dāng)需要松開時(shí)，驅(qū)動(dòng)源壓力消失，由于爪體內(nèi)兩個(gè)彈簧力推動(dòng)向外移動(dòng)，推動(dòng)相應(yīng)齒輪系反響旋轉(zhuǎn)，與活塞內(nèi)彈簧力一起使手爪松開。
齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，手爪開閉角度大，夾持范圍大，但 是齒輪齒條結(jié)構(gòu)，兩個(gè)齒輪對(duì)稱性的調(diào)整比較困難，這種結(jié)構(gòu)夾緊力小，因此多適用于中小型重量的工件。
除了以上幾種手爪結(jié)構(gòu)外，還有錐體，長軸多爪式手爪結(jié)構(gòu)，平移式手爪結(jié)構(gòu)，錐體杠桿式內(nèi)孔夾持手爪等。
圖2-12 齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)杠桿式手爪
2.2 手部設(shè)計(jì)要求
a. 有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b. 有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。
c. 力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
d. 手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
e. 其它要求
因此送料，夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用雙作用檔案活塞油缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
2.3 選定手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案
本次設(shè)計(jì)采用的是滑槽杠桿夾持式手部，其手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置組成。對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性?？梢宰ト≥S、盤、套類零件。采用兩個(gè)手指。驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源采用液壓的，通過滑槽實(shí)現(xiàn)手指的張開與閉合。手部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：
圖2.13 手部結(jié)構(gòu)
33
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析
3.1 手部計(jì)算與分析
1.夾緊力的計(jì)算
夾緊力
(3-1)
式中：
——安全系數(shù)一般取1.2~2；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？梢越?
的按下式估算，，其中為被抓取工件的最大加速度，為重力加速度；
——方位系數(shù)；
——被抓取工件的重量 60 kg。
根據(jù)本次所設(shè)計(jì)的手爪結(jié)構(gòu)
設(shè)
所以 =2.56 KN
(3-2)
取
(3-3)
2．確定油缸直徑D
因?yàn)? (3-4)
選取活塞桿直徑d=0.47D，壓力油工作壓力，
所以
根據(jù)油缸內(nèi)徑系列（GB2348-80）,選取雙作用單桿活塞油缸,取油缸內(nèi)徑為
則活塞桿直徑為：
活塞桿的強(qiáng)度校核:
活塞桿的材料為45鋼，桿長約大于桿直徑的15倍，所以：
桿長=15*28=420mm
活塞桿材料為碳鋼,,,,碳鋼的，活塞桿的受力：
==8.68Mpa< (3-5)
所以活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。
活塞桿穩(wěn)定性校核：
特定柔度值 (3-6)
柔度 (3-7)
=58.8
因?yàn)椋什荒苡脷W拉公式計(jì)算臨界壓力，由《材料力學(xué)》表10.1可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：
(3-8)
由此可見活塞桿滿足，是中等柔度壓桿，其臨界應(yīng)力：
(3-9)
由此可見，臨界壓力遠(yuǎn)大于工作時(shí)壓力，故穩(wěn)定性滿足要求。
3.2 手部零件分析
3.2.1 手部結(jié)構(gòu)與工作原理
2.14手部結(jié)構(gòu)圖
它主要由手架1，軸環(huán)2，拉緊軸3，左指座4，手指5，右指座6等組成。它屬于滑槽杠桿夾持式手部。手指的開閉是靠軸環(huán)2帶動(dòng)拉緊軸3做往復(fù)運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的。軸環(huán)與夾緊油缸活塞拉桿鉸鏈連接，由活塞拉桿輸入驅(qū)動(dòng)力，通過手部去夾持鍛坯。圖中手指處于最大張開位置時(shí)，此時(shí)夾緊油缸活塞拉桿處于最前端位置。在手指座端部裝有手指，它能繞手指軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以便鍛坯直徑變小后，手指夾持鍛坯時(shí)使其中心位置的變化盡量最小。
3.2.2 手指選型與校核
圖 3.1 手指的形狀
鉗爪式是最常見的一種，其中常用的有兩指式（圖 1.1 a）、多指式（圖 1.1 b）和雙手雙指式（圖 1.1 c）；
圖 3.2 手指運(yùn)動(dòng)形式示意圖
按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一個(gè)支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型（圖1.2 a）,二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型（圖1.2 b）和移動(dòng)型（或稱直進(jìn)型，如圖1.2 c），其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的二個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一個(gè)支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就變成了移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，但移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
根據(jù)此次機(jī)械手手部設(shè)計(jì)的綜合考慮，本次設(shè)計(jì)采用兩指式二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指設(shè)計(jì)，材料為45鋼。
手指受力圖
如圖所示，對(duì)手指夾持鍛件進(jìn)行受力分析，根據(jù)之前計(jì)算夾緊力F=2.56KN
再對(duì)手指進(jìn)行強(qiáng)度校核
手指零件圖
3.2.3 拉緊軸受力分析與強(qiáng)度校核
拉緊軸受力圖
如圖拉緊軸受到兩指座的剪應(yīng)力Fs與軸環(huán)反作用力F
3.2.4 軸環(huán)受力分析與強(qiáng)度校核
軸環(huán)受到拉緊軸反作用力F=3.68KN
3.2.5 確定V型鉗爪的L，β
取L/Rop=3.5
4 機(jī)械手其他部位設(shè)計(jì)簡介
4.1 手腕的設(shè)計(jì)簡介
4.1.1 手腕設(shè)計(jì)的基本要求
a. 力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕
腕部處于臂部的最前端，連接手部的靜動(dòng)載荷均有臂部承受。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量、靜動(dòng)載荷直接影響臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，設(shè)計(jì)腕部時(shí)必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
b. 綜合考慮、合理布局
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度以外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局。如何讓解決好腕部與手部、臂部的連接，腕部自由度的位置檢測，管線布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。
c. 考慮工作條件
對(duì)于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，在設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其工作環(huán)境對(duì)腕部的不良影響。
4.2 手臂的設(shè)計(jì)簡介
手臂的運(yùn)動(dòng)是整個(gè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，手臂需要完成三個(gè)運(yùn)動(dòng)，即手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。
4.2.1.臂部伸縮運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)
手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)是一種往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)可以采用往復(fù)直線液壓缸結(jié)構(gòu)、多級(jí)油缸結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、直線缸和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。
（1） 往復(fù)直線缸結(jié)構(gòu)
在機(jī)械手中，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)采用直線缸結(jié)構(gòu)的最多。手臂伸縮的導(dǎo)向裝置采用燕尾形滑枕，導(dǎo)向性好，手臂剛度大，工作是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。油缸的輸油管路采用伸縮油管型式，保護(hù)了油管，但是工藝性較差。
（2）多級(jí)油缸結(jié)構(gòu)
這種油缸用在傳送機(jī)構(gòu)上較好，用在機(jī)械手上，其活塞桿的剛性不好，撓度大，影響位置精度。
（3）滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
有的機(jī)械手用電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)手臂的直線傳動(dòng)。
滾珠絲杠與油缸驅(qū)動(dòng)相比有下述優(yōu)點(diǎn)：
滾珠絲杠的摩擦損失小，一般其傳動(dòng)效率在90%以上；滾珠絲杠靈敏性高，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；由于電機(jī)直接（或經(jīng)減速齒輪組）連接絲杠，絲杠直接傳動(dòng)，故油缸剛性好；用于同樣的距離，滾珠絲杠占用空間更小。滾珠絲杠的缺點(diǎn)是成本高，由于滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，所以基本上沒有自鎖作用
4.2.2 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
臂部的運(yùn)動(dòng)，除了手臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)外還有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，它的臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是一種單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有的機(jī)械手不是單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而是復(fù)合式的運(yùn)動(dòng)，在此不考慮復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)單回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以有以下幾種方案。
（1）回轉(zhuǎn)缸
回轉(zhuǎn)缸又稱擺動(dòng)缸。應(yīng)用回轉(zhuǎn)油缸要比齒輪齒條帶動(dòng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)簡單，輕巧美觀。但是，由于回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體之間配合精度要求較高，加工比較困難，如果精度達(dá)不到要求，就會(huì)造成嚴(yán)重泄漏，影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須嚴(yán)加密封。
（2）齒輪齒條直線缸回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)齒輪齒條結(jié)構(gòu)是通過齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪回轉(zhuǎn)，其驅(qū)動(dòng)源可以是液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)。
（3）回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu)
它是由回轉(zhuǎn)油缸（擺角），動(dòng)片與轉(zhuǎn)軸固接在一起，轉(zhuǎn)軸用鍵與行星齒輪聯(lián)結(jié)，中心輪套在基座上，中心輪是固定不動(dòng)的。回轉(zhuǎn)油缸與手臂固結(jié)在一起。驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)又帶動(dòng)手臂繞O-O軸回轉(zhuǎn)，形成轉(zhuǎn)臂，故行星輪，中心輪和手臂組成一個(gè)行星輪系。這個(gè)傳動(dòng)是降速的，如行星輪回轉(zhuǎn)為角度，則手臂轉(zhuǎn)角為：
(4-1)
式中：
——行星輪的齒數(shù)；
——中心輪的齒數(shù)。
這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：由于它的回轉(zhuǎn)傳動(dòng)是降速的，因此扭矩大，同時(shí)定位精度也較高；它裝在外部調(diào)整使用方便，維修容易。
（4）鏈條鏈輪結(jié)構(gòu)
若壓力油從缸的左側(cè)進(jìn)入，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，這樣，驅(qū)使輸出回轉(zhuǎn)順時(shí)針回轉(zhuǎn)。反之，壓力油從油缸右側(cè)進(jìn)入，推動(dòng)活塞左移，鏈條經(jīng)鏈輪使輸出軸沿逆時(shí)針回轉(zhuǎn)。
通過對(duì)以上幾種方案的了解和論證，回轉(zhuǎn)油缸行星齒輪結(jié)構(gòu)的方案最優(yōu)。該機(jī)械手的臂部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)采用行星齒輪結(jié)構(gòu)。
4.2.3 臂部升降運(yùn)動(dòng)
一般圓柱坐標(biāo)式，直角坐標(biāo)式有升降運(yùn)動(dòng)，球坐標(biāo)式有時(shí)為了增加提高高度，也有升降運(yùn)動(dòng)。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的圓柱坐標(biāo)式，所以，手臂的升降運(yùn)動(dòng)是必不可少的。
（1）升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配置形式
a．升降機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)座內(nèi)
對(duì)于中小型規(guī)格機(jī)械手，多采用這種結(jié)構(gòu)，手臂靠自重下降。
b．升降機(jī)構(gòu)設(shè)在機(jī)座上方
一些機(jī)械手的升降行程比較大，需設(shè)計(jì)立柱式結(jié)構(gòu)，支撐升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其輪廓尺寸相對(duì)比較大。但是在升降行程較大的情況下，手臂懸伸在最大位置時(shí)，使手臂對(duì)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的偏重力矩很大，不利于升降運(yùn)動(dòng)。
c．升降機(jī)構(gòu)放在可縮放的機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)機(jī)形高度可以較低，手臂的高度大致就是機(jī)械手的高度，手臂回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以較小，不需升降導(dǎo)向支撐，結(jié)構(gòu)比較緊湊，提升行程大。
d．升降機(jī)構(gòu)采用直線缸
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手手臂升降機(jī)構(gòu)也采用直線缸，它的結(jié)構(gòu)如圖2-21，它設(shè)有導(dǎo)向套，其導(dǎo)向性能好，剛性大，工作平穩(wěn)，活塞桿頂部為球鉸。
4.3 液壓系統(tǒng)簡介
4.3.1 液壓系統(tǒng)工作原理
所謂液壓系統(tǒng)就是以液體為介質(zhì)，依靠運(yùn)動(dòng)者的液體的壓力能來傳遞力的。液壓系統(tǒng)工作是，液壓泵把電動(dòng)機(jī)傳來的回轉(zhuǎn)式機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油液的壓力能：油液被輸送到液壓缸（或液壓馬達(dá)）后，又由液壓缸（或液壓馬達(dá)）把油液的壓力能變?yōu)橹本€式（或回轉(zhuǎn)式）的機(jī)械能輸出。液壓系統(tǒng)中的油液在受調(diào)節(jié)、控制的狀態(tài)下進(jìn)行工作的因此液壓傳動(dòng)和液壓控制在這個(gè)意義上來說難以分開。液壓系統(tǒng)必須滿足其執(zhí)行元件在力和速度方面的要求。
4.3.2 液壓傳動(dòng)的工作特性
液壓系統(tǒng)工作是外界負(fù)載越大（在有效承壓面積一定的前提下）所需要的壓力也越大，反之亦然。因此液壓系統(tǒng)的由壓力（簡稱系統(tǒng)的壓力，下同）大小取決于外界負(fù)載。負(fù)載大，系統(tǒng)壓力大；負(fù)載小，系統(tǒng)壓力?。回?fù)載為零，系統(tǒng)壓力為零。另外，活塞或工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度（簡稱系統(tǒng)的速度，下同）取決于單位時(shí)間通過節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸中油液的體積即流量。流量越大（在有效承壓面積一定的前提下）系統(tǒng)的速度越快，反之亦然。流量為零，系統(tǒng)的速度亦為零。液壓系統(tǒng)的壓力和外在負(fù)載，，速度和流量的這兩個(gè)關(guān)系稱作液壓傳動(dòng)的兩個(gè)工作特性。
4.3.3 液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)
液壓系統(tǒng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)相比。有以下特點(diǎn)：
a. 能方便的進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。
b. 體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、重量輕、慣性小、動(dòng)作靈敏，這對(duì)于液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力（如萬噸水壓力等）。
c. 控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和過載保護(hù)。
d. 可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。
e. 因?yàn)閭鲃?dòng)介質(zhì)為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。
f. 液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。
g. 可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)負(fù)載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動(dòng)簡化。
5結(jié) 論
經(jīng)過半年的設(shè)計(jì)制作和老師的認(rèn)真指導(dǎo)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一次總結(jié)與應(yīng)用，也是對(duì)未來工作的一個(gè)好的鋪墊。這讓我更好的了解了我們機(jī)械行業(yè)在社會(huì)生產(chǎn)的重要作用和它強(qiáng)大的生命力。
通過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了很多機(jī)械手的相關(guān)知識(shí)。也讓我了解了當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過程，通過對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)。
1、 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)立式精鍛機(jī)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)做了系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)，將其用于軸類零件自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)并順利完成取料、喂料和倒頭等動(dòng)作
2、因夾持工件范圍大，故選用滑槽杠桿式抓取機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)手爪夾緊松開的拉緊裝置，采用雙作用式單桿活塞油缸。手爪設(shè)計(jì)為自動(dòng)調(diào)整式，手爪可繞自身的回轉(zhuǎn)軸線有一個(gè)小擺動(dòng)，用以減少因工件直徑變化所引起的定位誤差，其調(diào)整范圍在10毫米以內(nèi)。為了能夾持不同規(guī)格的鍛件，有一套V型塊，它分為60 、100 、120 等幾種規(guī)格，在產(chǎn)品尺寸改變時(shí)，更換手爪的V型塊即可。此拉緊油缸的活塞在手腕回轉(zhuǎn)時(shí)也一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使活塞上的O形密封圈雙向受力容易損壞，同時(shí)活塞桿的尾部與油缸端蓋里面接觸時(shí)又造成研磨，易造成零件損壞，為防止上述情況的出現(xiàn)，現(xiàn)在將活塞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
3、該機(jī)械手選擇配置回轉(zhuǎn)型二指夾持手指，抓取一般棒料。必要時(shí)可以更換手抓，抓取箱體等。
4、由于時(shí)間有限，經(jīng)驗(yàn)知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)難免有不到之處，望讀者見量，指正。
參考文獻(xiàn)
[1] 李曉旭,王玉林.自動(dòng)供料機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析.開發(fā)與創(chuàng)新.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與 創(chuàng)新,第23卷第1期 2010年1月.
[2] 蔣少茵.機(jī)械手模型與設(shè)計(jì).華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).第19卷.第4期1998年10 月.
[3] 趙喜鋒,杜向黨,鞏靜靜,張宇.小型機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究.智能工程,收稿日期:2011-08-02.
[4] 袁森,肖軍,羅衛(wèi)東.基于PLC的機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).煤礦機(jī)械,第30卷第5月 2009年5月.
[5] 付大鵬,黃勝全,趙立華.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及優(yōu)化設(shè)計(jì).機(jī)械制造,42卷第476期.
[6] 劉少麗.淺談工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).機(jī)電工程技術(shù),2011年第40卷第07期.
[7] 趙美寧,王佳.自動(dòng)供料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).液壓與氣動(dòng),2007年第9期.
[8] Leila Notash.Failure recovery for wrench capability of wire-actuated parallel manipulators Robotica 2011,30卷.第6期.941-950（頁碼).
[9] 趙永成.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京:中國鐵道出版社,2002.
[10] 陳立德,趙海霞.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).國防工業(yè)出版社,2010.6.
[11] 杜祥瑛.工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.
[12] Kee-Bong Choi.Kinematic analysis and optimal design of 3-PPR planar parallel manipulator.KSME International Journal2008,17卷,第4期.
[13] 張建民.工業(yè)機(jī)器人[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1988.
[14] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1955.
[15] 王承義.機(jī)械手及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1981.
[16] 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1998.
[17] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第1卷）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.
[18] N.Kircanski,R.Hui,K.B.Shimoga,A.A.Goldenberg.Real-time computational aspects of multiple manipulator systems.Journal of Intelligent & Robotic Systems2005,9卷,第1期.
致謝
非常感謝姚慧老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段—畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給自己的指導(dǎo)，從最初的定題，到資料收集，到寫作、修改，到論文定稿，她給了我耐心的指導(dǎo)和無私的幫助。為了指導(dǎo)我們的畢業(yè)論文，她們放棄了自己的休息時(shí)間，她這種無私的敬業(yè)精神令人欽佩，在此我向她表示我誠摯的謝意。同時(shí)，感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這四年來給自己的指導(dǎo)和幫助， 是他們教會(huì)了我專業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得一定的進(jìn)步，在此我表示由衷的感謝！
通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)》終于完成了， 這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這 除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。 在本論文的寫作過程中， 我的導(dǎo)師姚慧老師傾注了大量的心血， 從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一遍遍地指出每稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，在此我表示衷心感謝。同時(shí)我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持 的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。感謝各位專家的批評(píng)指導(dǎo)！
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