1、1 绪论工业机械手是人类创造的一种机器 ,更是人类创造的一项伟大奇迹 , 其研究、 开发和设计是从二十世纪中叶开始的。世界工业机械手的数目虽然每年在递增， 但市场是波浪式向前发展的。 在新 世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件， 恶劣危险的劳动环境都需要用机器人 代替人工。 随着机器人应用的深化和渗透， 工业机械手在各行各业中还在不断开 辟着新用途。 机械手的发展也已经由最初的液压， 气压控制开始向人工智能化转 变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。上料机械手与卸料机械手相比， 其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手 适用于各种棒料， 工件的自动搬运及上下料工作。 例
2、如铝型材挤压成型铝棒料的 搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达 180mm最大抓握重量可 达30公斤，最大行走距离为1200mm根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运 动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构， 小车行走机构， 液压泵站电器控制系统组成， 同时具有高温棒料启动疏料装置及 用于安全防护用的光电保护系统。 整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车 上，结构紧凑。电气控制系统采用 OMRO可编程控制器，各种作业的实现可以通 过编程实现。机械手涉及到力学、 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
3、合技术。 它是一种能自动控制并可以从 新编程以变动的多功能机器， 它有多个自由度， 可以搬运物体以完成在不同环境 中的工作。2工业机械手的设计方案2.1工业机械手的组成工业机械手是由执行机构，驱动机构和控制部分所组成，各部分关系如下框图：图2-1 工业机械手各部分关系图执行机构：执行机构包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走机构等运动部件所组成。（1） 手部：直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型。传动机构形 式多样，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、弹簧式等。（2） 腕部：是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物体的方位。（3） 臂部：手臂是支撑被抓物体，手部，腕部的重要部件。手臂的
4、作用是 带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到给定位置。该设计的手臂有三个自由度，采用关节式坐标（绕横轴旋转，上下摆动和左 右摆动）关节坐标式具有较大的工作空间和操作灵活性，机械臂的结构性容易进 行优化，便于提高机械手的动态操作性能。（4） 行走机构：有的工业机械手带有行走机构。驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。控制系统：有点位控制和连续控制两种方式。机身：它是整个工业机械手的基础。机械手功能：（1） 它能部分的代替人工操作；（2） 它能按照生产工艺的要求遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的 传送和装卸；（3）它能操作必要的机具进行焊接和装配。2.2上下料机械手的工作原理上下
5、料机械手是一种专用的工业机械手， 其执行程序一般是固化好的， 或只 能进行简单编程， 所以机械手的动作是固定的， 一种机械手只能供送一种或有限 的几种物品，程序控制系统相对比较简单。供送料机械手可看做是一种无料槽、 滑道的供送料机构， 它在一个位置 （料 槽）抓取物品（工件），然后将其搬运到另一个位置。其基本动作是：上料时， 先由料槽中取出工件， 带着工件到指定工位，将其放在工位上，返回； 卸料时则 从工位上取下工件，带走， 放到料箱中。 上料时一般有位置及方位要求，而卸料 时一般无严格要求，所以上料是关键。要完成上述动作， 上下料机械手的手爪必须到达两点 （取料点料槽； 放料 点加工工位）
6、，这可通过机械手的手臂来实现。手爪必须做两个动作（抓取料 和放下料），这可通过机械手的手爪闭合、 张开来实现。方位要求一般通过机械 手的手腕来满足供送料要求的运动， 轨迹应该是： 直线下降直线升起平面圆 弧摆动直线下降。2.3 规格参数的选择工业机械手的规格参数是说明机械手规格和性能的具体指标， 一般包括以下 几个方面：（1）抓重（又称臂力）：额定抓取重量或称额定负荷，单位为公斤，本次 设计要求抓重为 25kg。（2）自由度数目：本次设计整机四个自由度，手臂三个自由度，手腕两个 自由度。（3）定位方式：有固定机械挡块，可调机械挡块，行程开关，电位器及其 他各种位置设定和检测装置，本次设计选固定
7、机械挡块定位。（4）驱动方式：有气动，液动，电动和机械式四种形式，本次设计选择液 压驱动。（5）手臂运动参数：臂部上仰 60度、下俯 30度、回转 220度。（6）手腕运动参数：腕部回转顺逆各 180度。（7）手指夹持范围和握力：工件直径 d 45cm, R 5cm， m干 29.7kge （m杆 e m 件 d）/m杆 m件 =30cm克服重心偏置所需的力矩 M偏Ge 16.41（kgf m）克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm克服运动惯性所需的力矩M惯:2 2 2 oJ杆=m（L 3R ）/12 me, 0.7654（kg-m- s2）J件=me2 =25 0.452 =5.1（kg-m- s
8、2）J总=5.8654（kg-m- s2）M 惯=JW/t设 w=500 /s,起 20oM 惯=0.0175 J总 w2/ 起=12.83（kgf m）则摆动所需的驱动力矩：M M 摩 M 偏 M 惯=32.14（kgf m）（318）确定转轴的最小直径：TtM 驱/WT T抗拒剖面摸量Wt存3（曲）所需驱动力矩：10.58 kg / cm2M总2 2b（R2 r2）由于系统工作压力远远大于此压力，因此该缸的工作压力足以克服摩擦力3.2.4选键并校核强度转轴直径d=40mm由参考文献中GB1095-79选键为b h=12 8 键校核如下公式：3p=2T 10 /kld p （319）K接触面
9、的高度k=0.4h=0.4 x 8=3.2mmp =32.24mpa p转轴直径d=50mm由参考文献中GB1095-79选键为b h=20 10 k=0.4h=0.4 x 10=4mmp=13.208mpW p取接方式：静连接，轻微冲击，查得p=100Pa所以满足要求3.3臂部计算与分析3.3.1臂部设计的基本要求手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工 作）,并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。 因此，臂部具有三个 自由度才能满足基本要求：即手臂绕横轴旋转，左右回转和俯仰运动。手臂的各 种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现， 从背部
10、的受力情况分析，它在工作中 既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。 因而，它的结构，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。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂 部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求：（1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。 显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大， 则刚度逾差， 而且其刚度随支臂杆的伸缩不断 变化，对于机械手的运动性能， 位置精度和负荷能力等影响很大。 为可提高刚度， 尽量缩短臂杆的悬伸长度，还应注意：1根据受力情况，合
11、理选择截面形状和轮廓尺寸臂部和机身既受弯曲 （而且不仅是一个方向的弯曲） 也受扭转， 应选用抗弯 和抗扭刚度较高的截面形状。 所以机械手常用工字钢或槽钢作为支撑板， 这样既 提高了手臂的刚度， 又大大减轻了手臂的自重， 而且空心的内部还可以布置驱动 装置，传动机构以及管道，有利于结构的紧凑，外形整齐。2高支承刚度和选择支承间的距离 臂部和机身的变形量不仅与本身刚度有关， 而且同支撑的刚度和支撑件间距离有很大关系， 要提高刚度， 除从支座的结构形状， 底板的刚度以及支座与底版 的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。3合理布置作用力的位置和方向 在结构设计时，应结合具体受力情况，设法使各作用力的变形相互抵消。a） 设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构 简单，要全面分析各尺寸链， 在要求高的部位合理， 确定调整补偿环节，以及减 少重要不见的间隙，从而提高刚度。b） 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或者大部分自重。c ）提高活塞和刚体内径配合精度，以提高手臂俯仰的刚度。（2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一， 它反映机械手的生产水平， 一 般是根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转俯仰均要求均速运动，（V和w为常数），但在手臂的启动和终
