送料机械手的设计

送料机械手的设计

摘要

本课题是为普通车床配套设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。

本课题对机械手进行了结构设计和液压传动原理的设计，确定了机械手的机械系统，液压驱动系统，控制系统三个组成部分的设计方案。介绍了机械手的组成和分类，确定了机械手的主要参数及设计方案；对抓取机构的各零部件的参数进行计算，对液压元件进行选择，确定电机规格及机构的参数；对机身机座的电动机和减速器进行选择，并对螺栓设计和校核，确定其当量应力，剪切强度，弯曲强度；确定了机械手的定位方式为机械挡块定位；对影响机械手定位和稳定性的因素进行了相关分析。

关键词： 机械手；抓取机构；液压缸

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目录

摘要 ...................................................................................................................... I

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ................................................................................................... 1 1.1.1 机器人的历史、现状 ........................................................................ 1 1.2 机器人发展趋势 ....................................................................................... 3 1.3 本文的主要研究内容 ............................................................................... 3 第2章 方案设计及主要参数的确定 ................................................................ 5 2.1 机械手组成和分类 ................................................................................... 5 2.1.1 机械手的组成 .................................................................................... 5 2.1.2 机械手分类 ........................................................................................ 6 2.2 方案设计 ................................................................................................... 6 2.2.1 主要参数的确定 ................................................................................ 6 2.2.2 方案设计 ............................................................................................ 6 2.3 料槽形式及分析动作要求 ....................................................................... 7 2.3.1 料槽形式 ............................................................................................ 7 2.3.2 动作要求分析 .................................................................................... 8 2.4 本章小结 ................................................................................................... 8 第3章 抓取机构的设计 .................................................................................... 9 3.1 手部设计计算 ........................................................................................... 9 3.1.1 对手部设计的要求 ............................................................................ 9 3.1.2 拉紧装置原理 .................................................................................. 10 3.2 腕部设计计算 ......................................................................................... 13 3.2.1 计算扭矩 .......................................................................................... 13 3.2.2 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 .............................................. 13 3.2.3 腕部回转液压缸尺寸的确定 .......................................................... 13 3.3 臂伸缩机构设计 ..................................................................................... 16 3.3.1 计算液压缸活塞驱动力 .................................................................. 16 3.3.2 根据驱动力确定液压缸结构尺寸 .................................................. 17 3.3.3 腔流量 .............................................................................................. 17 3.3.4 手臂右腔工作压力 .......................................................................... 17 3.4 液压元件的选择 ..................................................................................... 18 3.4.1 绘制机构工作参数表 ...................................................................... 18 3.4.2 由初步计算选液压泵 ...................................................................... 18

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3.4.3 算腕部摆动缸 .................................................................................. 18 3.4.4 确定电机规格 .................................................................................. 19 3.4.5 油管尺寸的确定 .............................................................................. 19 3.4.6 管道壁厚的计算 .............................................................................. 20 3.4.7 油缸容积的确定 .............................................................................. 20 3.5 本章小结 ................................................................................................. 20 第4章 液压系统原理设计及草图 .................................................................. 21 4.1 手部抓取缸 ............................................................................................. 21 4.2 腕部摆动液压回路 ................................................................................. 21 4.3 小臂伸缩缸液压回路 ............................................................................. 22 4.4 总体系统图 ............................................................................................. 23 4.4.1 工作过程 .......................................................................................... 23 4.4.2 电磁铁动作顺序表 .......................................................................... 23 4.5 本章小结 ................................................................................................. 24 第5章 机身机座的结构设计 .......................................................................... 25 5.1 电机的选择 ............................................................................................. 25 5.1.1 带动臂部升降的电机 ...................................................................... 25 5.1.2 带动机身回转的电机 ...................................................................... 25 5.2 减速器的选择 ......................................................................................... 26 5.3 螺柱的设计与校核 ................................................................................. 26 5.4 本章小结 ................................................................................................. 27 第6章 机械手的定位与平稳 .......................................................................... 28 6.1 常用的定位方式 ..................................................................................... 28 6.2 影响平稳性和定位精度的因素 ............................................................. 28 6.3 机械手的控制 ......................................................................................... 29 6.4 本章小结 ................................................................................................. 30 结论 .................................................................................................................... 31 参考文献 ............................................................................................................ 32 致谢 .................................................................................................................... 33

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 机器人的历史、现状

机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。

目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。

第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并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。

随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。

目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。

在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先

制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。

随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。

美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段：

（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。

（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。

（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。

其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来

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