搬运机械手设计

摘 要

本文对自动搬运机械手进行了总体机构设计，能够完成机械手整体的旋转，机械手手臂的升降和伸缩，根据机械手的技术参数分别设计了机械手的夹持式手部结构计算出了夹持 物料时手抓气缸缩需要的驱动力，设计了手臂伸缩、升降用的气缸的所需驱动力和机械手回转时电机的功率选择。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图。利用PLC对机械手进行控制，选取了合适的PLC的型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：机身回转机构，机身升降机构，手臂伸缩机构，气动，可编程序控制器(PLC)

1

ABSTRACT

This article conducted the overall institution design of mandrel handling robot, the robot is able to complete the robot overall rotation, the robotic arm can move and stretch, according to the manipulator specifications, I designed the manipulator gripping type hand structure ,and calculated out of the driving force when the clutch cylinder shrink clamping mandrel material, also designed a telescopic arm, the required driving force of the lift cylinder and the manipulator rotation when the motor power options. I designed the robot's pneumatic system, draw the working schematic of the pressure system of the robot.Using PLC to control the robot, select the PLC model, developed a control program of the programmable logic controller according to the workflow of the robot, to draw the robot work timing diagram and ladder, and prepared a program to control device control program.

KEY WORDS: body rotation institutions, body lifting mechanism, featuresair, pressure drive, the Telescopic mechanism of the arm, Programmable Logic Controller

2

目 录

1 绪论 ............................................................................................................................................................ 5 1.1 选题背景及其意义 ........................................................................................................................ 5 1.2 国内外现状及发展历史 ................................................................................................................ 7 1.3 研究内容 ........................................................................................................................................ 9 2 工业机械手的总体设计方案 .................................................................................................................. 10

2.1机械手基本形式的选择 ............................................................................................................... 10 2.2 驱动机构的选择 .......................................................................................................................... 12 2.3 机械手的主要部件及运动 .......................................................................................................... 12 2.4 机械手的技术参数列表 .............................................................................................................. 13 3 机械手结构设计 ...................................................................................................................................... 13

3.1 手部设计基本要求 ...................................................................................................................... 13 3.2 典型的手部结构 .......................................................................................................................... 14 4 臂部的设计及有关计算 .......................................................................................................................... 19

4.1伸缩手臂的设计要求 ................................................................................................................... 19 4.2 手臂的典型运动机构 .................................................................................................................. 21 4.3手臂直线运动的驱动力计算 ....................................................................................................... 21 5 机身的设计计算 ...................................................................................................................................... 26

5.1升降缸结构设计 ........................................................................................................................... 26 5.2 手臂偏重力矩的计算 .................................................................................................................. 27 5.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 .................................................................................. 29 5.4 回转结构的设计 .......................................................................................................................... 30 6 气压系统设计 .......................................................................................................................................... 34

6.1 气压系统的组成 .......................................................................................................................... 34 6.2拟定气压系统 ............................................................................................................................... 35 6.3气压控制原理说明 ....................................................................................................................... 36 7 PLC控制系统设计 ................................................................................................................................. 37

7.1 控制过程说明 .............................................................................................................................. 38 7.2 I/O点数分配表 ........................................................................................................................... 38 7.3 PLC控制系统的流程图和梯形图............................................................................................... 39 8 结论 .......................................................................................................................................................... 46 参考文献 ...................................................................................................................................................... 48

3

致 谢 .......................................................................................................................................................... 49

4

1 绪论

在现实生活中，机器人并不是在简单意义上的代替人类工作的机器，而是一个拟人的电子机械设备并且拥有人类的一些专业知识。这意味着它拥有快速反应的环境模拟和分析能力和对事物的判断能力，机器人可以连续工作时间很长，并且加工零件精度高，还具有抵抗恶劣环境的能力。机器人从某种意义上说，不仅仅是一台机器，更是一种在不断完善自己，不断提升自我能力的产品，无论是在生产业和非成产业是一个重要的生产和服务设备，先进的制造技术领域所不可缺少的自动化设备。

工业机器人是机器人的一种，它由操作机（机械本体），控制器，伺服驱动系统和检测传感器装置，是一种仿人操作，拥有自我反馈控制，可重复编程，三维空间完成各种综合的电气和机械操作自动化生产设备，特别适合用在多品种，变批量的柔性生产。它对于产品质量的稳定和提高起到很大作用，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着非常重要的作用，随着工业机器人的越来越普及，越来越多的高校也逐步开始研究起工业机器人。

1.1 选题背景及其意义

单词“机器人”首次出现在1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克创作剧“罗森的万能机器人”。在剧本中，作家创造了一个拥有的外观，特点和功能，愿意提供人性化的服务机器人的佣人“Robota”，在他的剧中机器人被描述成像奴隶劳动。

机器人可以完成一些类似于人类的手和手臂的动作，按照固定程序抓取，移动一定重量的物体或操作一些自动化操作工具设备。它可以代替人的艰苦劳动，以实现生产的机械化和自动化，在恶劣的环境下也能很好的工作，以保护人民的安全，因此被广泛用于机械制造，冶金，电子，轻工和原子能工业。

机械手的主要部件由手爪部分，手臂部分，机械手机身部分组成。手爪用来保持工件（或工具）的夹钳稳定性，根据掌握物体的形状，大小，重量，材料和操作要求和不同的结构形式，机械手的手部也有很多的形式，如夹钳式，托持式和吸附等。而对于手臂部分，主要是为了使手部完成各种转动（摆动），移动或复杂的运动，以达到所需的动作，改变被抓物体的位置和姿势。而机械手机身部分则可以移动升降机构并做独立的回转运动。机械手的手臂升降、伸缩、机身的移动和旋转等独立的运动，称作为机械手的自由度。为了抓取空间任意位置和方向的对象，机械手需要拥有6个

5

自由度。自由度机械手设计的程度是关键参数。自由操纵，灵活性大，通用性更广，它的结构也比较复杂。一般的机械手有3~4个自由度。

如图1-1所示，这个机械手就拥有三个自由度，其中机械手的手臂可以完成伸缩运动，机械手的机身则能完成手臂的升降运动，同时机身的回转运动能使机械臂完成任意角度的位置要求。

图1-1 工业机械手简图

机械手的类型，按照驱动方式，可以分为液压驱动式，气压驱动式，电机驱动式；机械手按适用范围可划分成特殊机械手和普通机械手两种类型；按照运动轨迹控制方式可以划分为点位控制式和连续轨迹控制式等。

机械手一般不会单独的作为工业生产中主要装置，它一般都是附加在机床或者别的机器边的辅助装置，如在数控机床中自动换刀，如在自动生产线中搬运物料等，一般不具有独立控制装置。有部分的机械手还不能独立操作，也需要有人直接或间接的操作，如原子能部，管理危险品的主从式机械手通常也被称为机械手。

机械手是近几十年发展起来的一种高端科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着始终重要的作用。目前主要用于机床，模锻压机的上下料，以及电焊，喷漆等作业中，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量所以受到了许多部门的重视，并且在现在和将来都得到极大的重视。但是由于机械手并不真正像人类的手那样灵活并且不能具备传感反应任何反馈的能力，不能对外界特殊情况进行应变。

目前，大部分的机械手还只属于第一代的机械手，主要依赖于手动控制，改进的方向基本上是为了降低成本和提高精度。第二代的机械手正在加紧发展。它提供了一个微型电子计算机控制系统，视觉，触觉，甚至听一样的能力，。学习上的各种传感

6

器的安装，检测到的信息反馈，使得机器人具有感觉功能。第三代的机械手可以独立完成许多繁琐和高难度的工作。随着电子计算机和电视设备的发展，它将和这些设备保持联系，并逐步发展成柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC的一个重要环节。

机械手的应用意义在于：

（1） 可以提高生产过程的自动化程度,应用机械手有利于实现材料的传送、弓箭的装卸、道具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

（2） 可以改善劳动条件、避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、早生、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用忍受直接操作是有危险或者根本不可能的，而应用机械手即可部分或者全部代替人安全的王城作业、是劳动条件得以改善。

（3） 可以减少人力，便于节奏的生产。应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同事由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都是机械手，以减少人力和更近准的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

本课题中两工位芯模搬运机械手的控制系统主要是PLC控制系统，驱动方式为气压传动。

1.2 国内外现状及发展历史

工业机器人是最为典型的机电一体化设备, 高附加值的技术，应用范围广，作为先进制造技术的新产业和信息社会的支持，将会在未来生产和社会发展中发挥出越来越重要的作用。据外国专家预测，工业机器人是在辆车，计算机后出现的一个新的高度 - 高新技术产业。根据联合国欧洲经济委员会（欧洲经委会）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景，从二十世纪下半年，世界机器人产业一直保持稳步增长势头。在19世纪末，随着工业发展的速度崛起，工业机器人的产品开发速度加快，年增长率平均保持在10％。在2004年的增长率达到了创纪录的20％。其中，最突出的是亚洲机器人，增长幅度高达43％。

随着这现年各个国家以及企业的重视，工业机器人已经不单单是在工业中起到作用，同时也在别的产业中扮演着重要的角色。在制造业，尤其是在汽车行业，工业机器人已被广泛使用。如在毛坯制造（冲压，铸造，锻造，机械加工，焊接），热处理，表面涂层，装卸，组装，测试等操作，机器人已逐渐取代人的体力劳动，可见，机器

7

人正在往越来越多的领域更深层次的工作进军。

在1954年，美国戴沃尔是最早的提出了工业机器人的概念，并且在当时申请了专利。他的专利的主要是借助伺服控制技术控制机器人的各个关节，利用人手对机器人进行动作的示教，在当时的机器人能实现动作的记录和再现。这就是当时比较著名的示教再现机器人了，现在很多制造出的机器人还有保留着这种控制方式。而在1958年，被称作为“工业机器人之父”的Joseph F.Engel Berger创造了世界上第一个机器人公司，并参与设计了一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手臂的控制由一台专用计算机来完成。随着计算机技术和人工智能技术的发展，使得机器人在功能和技术层次上有了很大的高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是比较典型的代表了。

我国工业机器人，在70年代初开始，经过20多年的发展，经历了3个阶段：萌芽期的70年代，80年代和90年代的工业机器人开始逐步走向实用。七十年代是世界科学和技术发展的一个新的里程碑;在月球上开始有人类的足迹，金星，火星也逐步开始实现软着陆。中国也在同一时刻发射了人造卫星。全球工业机器人的热潮，尤其是日本，发展非常迅速，但经济增长是日益增加同时也造成了劳动力缺乏。在这种情况下，于1972年，中国也开始发展自己的工业机器人。

进入20世纪80年代后，随着改革开放的不断深入，在高科技浪潮的推动下，我国对于机器人的人研究和开发逐步开始引起重视。在“七五”期间，国家开始投入资金，对于工业机器人以及机器人身上的零部件进行了研制，终于开发出了一个完整的示教再现式工业机器人的技术，同时开发出了电焊、喷涂和搬运机器人。在1986年，国家高技术研究发展计划开始实施，记过各学者和专家的辛勤研究，成功制出了一批特种机器人。

虽然中国的工业机器人产业在不断的进步中，但和国际同行相比，差距依旧明显。从市场占有率来说，更无法相提并论。工业机器人很多核心技术，目前我们尚未掌握，这是影响我国机器人产业发展的一个重要瓶颈。

目前我国机器人研究的主要内容如下： （1）示教再现型工业机器人产业化技术研究：

这些研究包括：联合式，侧喷流，喷顶式，龙门喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计，具有灵活分析的喷涂机器人的研发;焊接机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计;弧焊机器人激光视觉焊缝跟踪装置的研制;弧焊机器人离线编程示范和工作站系统动态仿真，电子行业用装配机器人产品标准化、推广、模块化、系列化设计。

（2）智能机器人开发研究：

8

这些研究主要包括：远程和本地自治系统配置和控制策略的研究;智能移动机器人导航和定位技术，遥控机器人，虚拟现实系统，人机环境模拟系统，在电脑屏幕上的多机器人远程控制技术。

（3）机器人化机械研究开发：

这些研究主要包括：并联机器人，机器人化加工中心的研究和开发;无人驾驶机器人和自适应多机的大型物料输送设备的远程控制操作。

（4）以机器人为基础的重组装配系统：

这些研究主要包括开放式的模块化机器人；面向机器人装配设计技术，机器人柔性装配系统设计，可重构机器人柔性装配系统的设计，装配力，可视化技术;只装配策略及其控制技术。

（5）多传感器信息融合与配置技术：

这些研究主要包括：机器人传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用;机电一体化传感器设计中的应用。

1.3 研究内容

研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运 机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作的设计工作。

可以代替人的重复取工件的工作，不仅降低了劳动强度工人，提高了生产自动化水平和劳动生产率，确保产品质量和生产安全。

自动搬运机械手装置是一种模拟人的手臂动作来完成的，按照事先设定的程序，轨迹，代替人完成枯燥，劳累的抓取，搬运工作的机电一体化装置。

9

2 工业机械手的总体设计方案

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,按坐标形式大致可以分为4种： (1)直角坐标型机械手：

这种机器人由三个线性关节组成，这三个关节用来确定末端操作器的位置，通常还带有附加的旋转关节，用来确定末端操作器的姿态。这种机器人在x、y、z轴上的运动是独立的，运动方程可独立处理，且方程是线性的，因此，很容易通过计算机控制来实现；他可以两端支承，对于给定的结构长度，刚性最大；他的精度和位置分别率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但是，它的操作范围小，手臂收缩的同时又向相反的方向伸出，即妨碍工作，且战地面积大，运动速度低，密封性不好。

(2)圆柱坐标型机械手：

圆柱坐标机器人确定组件的位置是由两个滑动关节和旋转接头，然后连接到一个旋转的联合的态度，以确定组件。这种机器人可以围绕中心轴的一个角落里，工作范围可以扩大，计算简单;直线运动部分采用气压驱动，可以输出更大的功率，可以延伸到腔型机。然而，它的手臂可以达到的空间是有限的，不能达到近立柱或地面空间；

10

直线驱动部分难以密封、防尘；后臂工作时，手臂后端会碰到工作范围内的其他物体。圆柱坐标机器人的工作范围呈圆柱形状。

(3)球坐标(极坐标)型机械手：

球坐标机器人采用球坐标系，它用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。这种机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作范围大，两个转动驱动装置容易密封，覆盖工作空间较大。但该坐标复杂，难于控制，且直线驱动装置仍存在密封及工作死区的问题。球坐标机器人工作范围呈球缺状。

(4)关节坐标型/拟人型机械手：

关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它象人手一样有肘关节，可实现多个自由度，动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。关节式机械手，早在四十年代就在原子能工业中得到应用。随后在开发海洋中应用，有一定的发展前途。关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动。可作几个方向转动，工作范围大，动作灵活，通用性强，但定位精度差，控制装置复杂。关节式机械手具有上肢结构，可实现近似于人手操作的机能。为具有近似人手操作的机能，需要研制最合适的结构。

其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高,占地面积小，根据机械手的运动自由度数不少于3个，摆角度不小于90度，所以拟定方案为最大摆动角度为90度的3自由度机械手，因此本设计采用圆柱坐标型图。

图2-1圆柱坐标式机械手结构图

11

如图2-1所示，为圆柱坐标型机械手，机械手的组成为4--支座，3--支柱，2--手臂和1--手。底部支座完成整个机械手的回转运动，支柱完成机械手的升降运动，小手臂负责完成伸缩运动，手抓完成夹紧工件的运动。

2.2 驱动机构的选择

工业机械手的驱动系统，按照动力源分为液压驱动、气压驱动和电动三大类。 （1） 液压驱动系统：由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、惯量大以及在恶劣的环境中工作的机械手。

（2）气动驱动系统：反应快速快，系统结构简单，维护便捷，价钱低廉，适合小，中负载系统。但它可能难实现伺服控制，大部分都用程序来控制机械手。在冲裁和冲压机械手多采用。

（3） 电动驱动系统：由于惯量低，扭矩大，交直流电机及其配套驱动被广泛应用于机械手的驱动中，它是驱动中很广泛的一种选择。

气压系统具有一些独特的优点：

（1）可从空气中获得能源，在同一时间，所用的空气可以直接排入到的空气中，使用方便，在空气管道泄漏的情况下，除了造成部分的损失，不会造成十分严重的影响，不污染环境。

（2）空气的粘度非常小，在管道压力损失，严重影响较小，从而有利于集中供气和运输。

（3）压缩空气压力低（一般为0.3?0.8），因此，执行元件材料的要求低。 （4）可简单的进行维护，管不容易堵塞，无介质变质，补充，更换和其他问题。 （5）使用安全，无爆炸的问题，可完成自动保护过载问题。

（6）材料的选择也是根据气动特有性质来选择，可在恶劣环境下（强烈振动，冲击，强辐射和强腐蚀）下正常工作。

因为本机械手抓取的物料重量基本在10KG以内，因此抓取力并不大，所以选用气压驱动来完成，但在底部的回转决定使用电机来完成。

2.3 机械手的主要部件及运动

在选定圆柱坐标式机械手的基本方案后，为了达到设计任务所需要的要求， 在我的机械手设计中具有3个自由度既：手臂伸缩；手臂升降：手臂回转3个主要运动。

12

本设计机械手主要由4个大部件3个气压缸和一个电机组成： （1）手部，采用一个直线气压缸，通过机构运动实现手抓的张合。 （2）臂部，采用直线缸来实现手臂平动80mm。 （3）机身，采用一个直线缸来实现升降。 （4）底部采用回转电机来实现手臂回转。

2.4 机械手的技术参数列表

（1）芯模尺寸是Φ40mm，长度是800mm，材料为模具钢； （2）升降行程250mm，伸缩行程80mm； （3）实现两个方向的90°旋转运动，并可自锁。 （4）手臂运动参数：

伸缩速度：<250mm/s； 升降速度：<60mm/s； 回转范围：0~180度； 回转速度：<70/s。

（5）定位方式：行程开关或可调机械挡块 （6）驱动方式：气动，PLC控制 （7）定位精度：+—0.5mm

3 机械手结构设计

3.1 手部设计基本要求

（1）应该有合适的夹紧力的原动力，手指握力（夹紧力的大小，应适应），用力过大，功耗会太浪费，巨大的结构，费用较大，甚至会损坏工件;力量太小，然后钳不居住或松动，脱落。除了考虑工件的重量，在设定的握力，应该考虑也可以传送或过程中产生的惯性力和振动的操作，以确保工件夹紧的安全。对于手，应该有足够的动力驱动装置。应当指出，由于传动比是不同的，在不同条件下一定的夹紧力，传输机

13

制的驱动力是不同的。

（2）手指应该有一定程度的开放和收紧距离，手指有足够的张开角度（开放的手指封闭约转角支点），以方便握持或退出工件。

（3）应保证内部的手指夹紧精度，应确保每个夹紧工件，手指精确的相对位置。在一定范围内的要求，这是更重要的，如曲轴，一类复杂的工件在机轴，凸轮，严格，所以在夹紧工件的机械手的安装位置应保持相对定位精度。

（4）要求具有结构紧凑，重量轻，效率高的优点。在保证本身的刚度，强度的前提下，尽可能使结构紧凑，重量轻，为了减少负载臂。

（5）应考虑为一般和特殊要求。在一般情况下，一方面是比较特殊，为了扩大其使用范围，提高其通用化程度，以适应不同尺寸的工件夹紧，通常使用的手指可以调整方法。作为替代，甚至更换整只手的手指等。此外，也考虑能适应工作环境的特殊要求，如：耐高温，耐腐蚀，能承受锤冲击力。

3.2 典型的手部结构

（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2）平移型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

3.3 机械手手爪的设计计算

3.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置

本设计做的是芯模搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：夹取重量约为10Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,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,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。 3.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

14

F

F1F1 F2

O1 O2

Fn Fn

F1'

图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指2——销轴3——杠杆

在杠杆3 的作用下，销轴2 向上的拉力为F，并通过销轴的中心点O，两手指1 的销轴收到滑槽的反作用力为F1 和F2，同时它力的方向垂直于滑槽的中心线OO1 和OO2 并指向O点，交F1 和 F2 的延长线于A 及B。

由?Fx?0 得F1?F2 由?Fy?0 得F1??F1' 由?M01(F)?0

(3-1)

15

得F1'?Fn?h

h?acos? (3-2)

F?bcos2?Fna

(3-3)

式中：a——从对称中心到手指的回转支点的长度（mm），?——工件被夹紧时两回转支点与手指的滑槽方向产生的夹角。

根据计算分析，在驱动力F 不变时，?角增加，则握力 Fn 同时会增加，但?角度太大会产生拉杆行程过大的后果，还将导致手部结构变大，因此最好?=30°~40°。 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算

机械手手抓对于工件的夹钳力，是设计机械手手部的重要依据。设计时要对受力的方向、大小以及作用点进行分析和计算。对于一般的机械手手抓来说，手抓抓取工件时需要克服工件自身重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时惯性力产生的载荷，以保持可靠的工件夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算：

Fn?K1?K2?K3?G

(3-4)

式中：K1──安全系数，通常去1.2～2.0，K2──工作状况系数，主要是考虑惯性力的作用。K2可近似按式3-5估算：

K2?1?

ag

(3-5)

式中：a──运载工件时向着重力方向上升最大的加速度， g──重力加速度，g≈9.8m/s2；

a?Vmax (3-6) t响vmax

──运载工件时向着重力方向上升最大速度，机械手直线速度常在200～

16

300mm/s , t响──系统达到最高速度的时间，根据设计参数选取。K3──方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同 。

假设：a=50mm，b=150mm, ?=30°。机械手打到最高响应时间为0.5s。求夹紧力Fn，驱动力F，驱动气缸尺寸。根据实际情况初定：

（1）所以求出夹紧力为：

K1?1.50.1/0.5?1.029.8∴Fn?1.5?1.02?0.5?（7.89?9.8）?59.2N K2?1?（2）根据驱动力公式：

2?150?cos230 ?59.2=266.4N50

得

F计算=

（3）传动效率取η=0.85

∴F实际=F计算?0.85=226.4N

3.3.4气缸类型的选择

π∵F实际=?（D2?d2）?P

4工作压力P取0.4MPa

气缸计算公式为： D=4F0 πp(3-7)

所以 D=4?226.4=29.11mm 52π?0.4?10?（1-0.3）根据见表3-1以及《机械设计手册》中缸型标准，选取缸径为40mm。

17

表3-1 气缸内径选用表

气缸内径（mm）

16 50 20 63

25 80 32 100 40 125 3.3.4气压缸主要尺寸的选择

（1）由《机械设计手册》气压缸外径系列，根据已定内径D=40mm。 气缸缸筒承受压缩空气的压力，其壁厚可按薄壁公式计算：

??

Py?D2[?] (3-8)

式中：?--------缸筒壁厚，Py------实验耐压力，取1.25 x工作压力，[?]------缸筒材料抗压强度，铸钢取[?]=100~110Mpa。

??壁厚取12mm符合要求。 （2）气压缸行程S的计算

1.25?0.4?0.042?100

由《机械设计手册》气压缸行程参数系列，再根据机械手外行设计尺寸的要求选用小手臂伸缩液压缸行程S=25mm。

（3）根据《机械设计手册》气缸活塞杆直径为： d?0.3D，所以设计活塞直径为d=12mm。

3.3.6 手爪的夹持误差分析与计算

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手定位精度，而且也与手指的夹持误差大小有关。由于本机械手手部选用的是内撑式垂直上下工作的，所以其手爪的夹持误差可以粗略认为是零，但通常情况下保持它不超过±1mm就可以了。

18

4 臂部的设计及有关计算

手臂部分是主要的机械手夹持组件。它的作用是支持的手（包括工件或工具）和手腕，并推动他们同时做空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

手臂运动的原则：在空间任何一点都能让手部碰到。为完成各种运动的手臂通常使用驱动机制和传输机制来实现，从手臂的受力分析，手腕，手是直接作用力在手臂上的，并且手臂自己也经常需要完成运动。因此，它的结构，工作范围，灵活性和直接影响机械手的工作性能。

4.1伸缩手臂的设计要求

机械手的手臂基本要求应该是拥有较大承受能力，刚性好，重量轻。对于机械手臂或身体的承载能力，通常取决于其僵化程度。以机械手臂部作为一个例子，一般的结构正在越来越多地采用悬臂梁形式，然而伸缩臂悬长度增加，刚度降低并且其伸缩臂的刚度会不断的改变。对机器人的运动性能，定位精度和承载能力影响很大。为了提高刚度，除了尽可能地延长手臂长度缩短，是要注意以下几个方面。

（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸

臂部和机身通常既受弯曲，也受扭转，应选择横截面形状的弯曲和扭转刚度高的。显然，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢，槽钢工字钢和惯性矩是比较大的。因此，作为导杆机械手，无缝钢管、钢或槽钢作为支撑板。这不仅提高了手臂的刚度，同时也大大降低了手臂的重量，并可以用中空的内部装有驱动装置，传动机构通过管道，这样就使结构紧凑，外形整齐。

19

（2）提高支承刚度和合理选择支承间的距离

臂杆或机身的变性量不仅与本身刚度有关，而且与支承的刚度和支承间的距离有很大关系，要提高支承刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度。以及支座与底板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

在结构设计时还应结合具体受力情况，设法使个作用力引起的变形相互抵消。 （4）注意简化结构

在设计臂部时，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，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。

（5）提高配合精度

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大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂前伸时的刚度。

臂部运动速度要高，惯性要小机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度。在一般情况下，手臂的移动和回转，俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。

手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生卡死的现象。

位置精度要高。一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高，关节式机械手的位置最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求，工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。

手臂的典型运动的形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的组合。

在设计计算前，通常是先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复数次，绘出最终的

20

结构。

按照在完成即定任务的前提下，手臂设计愈简单愈好的原则。在这里我只选择了一个手臂伸缩缸和一个手臂升降缸，伸缩缸采用直线缸式手臂结构，如图所示，这种液压缸缸体上有进油口a和b，当压力油从a， b油口进入和排出时，缸内的活塞杆将做往复直线运动，这种结构尺寸小，可用于较大重量的工件的抓取，在机械手中应用很广泛。升降缸采用活塞缸和齿轮齿条结构，见装配图所示，手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转而使手臂左右摆动。升降运动由活塞驱动，靠立柱上平键导向，缸体沿导向套在压力油的作用下作升降运动。

4.2 手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。

（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。

（3） 双活塞杆液压岗结构。 （4） 活塞杆和齿轮齿条机构。

通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。

4.3手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

P驱=P惯+P摩+P封+P背 (4-1)

式中：P惯-------手臂在启动过程中的惯性力，P摩-------摩擦阻力，P封-------密

21

封装置处的摩擦力，P背-------气缸非工作腔压力所造成的阻力。 4.3.1手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。手臂各个受力分布如图4-1所示。

图4-1 机械手臂部受力示意图

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

?MA?0 G总L?a?Fb （4-2）

?Fb?G总La?Y=0

G总+Fb=Fa （4-3）

L+aFa=G总（）aF摩=Fa摩+Fb摩=?Fa+?Fb

22

?式中：G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）， L——手臂与a——导向支撑的长度（m），?——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。

.F摩=?G总（2L+a） （4-4）

运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算，

公式中：钢对铸铁：取0.18~ 0.3，钢对青铜：取0.1~ 0.15，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁?= 0.2?0.15= 0.3

通过实际情况计算得：G总=420N，L=0.308-0.105=0.151m，a=54mm=0.054m

2?0.151+0.054F摩=420?0.3?（）=2504.25N0.054 4.3.2手臂惯性力计算

设计要求 V＜250mm/s，本设计设手臂平动是V=5m/mim，设置气动时间

?t?0.2s，气动速度?v?v?0.083m/s

F惯=G总?vg?t （4-5）

G总?v420N?0.083SF惯===17.77Ng?t9.8N/Kg?0.2S

4.3.3 密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，由于工作压力小于10Mpa。气缸处密封的总摩擦阻力可以近似为

一般的背压阻力较小 在这取F回=0.05F。

经过上面的分析最后计算出手臂伸缩气缸的驱动力为：

F=2504.25N+17.77N+0.03N+0.05N=2522.1N

F封=0.03F。

4.3.4 气压缸工作压力和结构的确定

23

经过上面的计算，确定了气缸的驱动力F=2523N，根据实际工作情况选择液压缸的工作压力P=0.55Mpa。

确定气缸的结构尺寸：

气缸的内径的计算，如图4-22所示

图4-22 双作用液压缸示意图

当空气进入无杆腔时：

πD2 F=F1?=p4? 式中传动效率?-------0.95 当空气进入有杆腔：

F=Fπ（D2-d2)2?=p4? D?4F? 故

?P1 D?1.13?25230.95?0.55?106?0.07852m

24

4-6）4-7）4-8）

（

（

（

根据表4-1气缸内径选用表以及机械手册中的规定D取80mm

表4-1 气缸内径选用表

气缸内径（mm）

16 50 20 63 25 80 32 100 40 125 （2） 气缸外径的设计：

根据装配等因素，考虑到气缸的臂厚在14mm，所以该气缸的外径为108mm.（3） 活塞杆的计算校核：

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L小于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算，d=24mm。l=330mm,故无需校核。

25

5 机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。

5.1升降缸结构设计

26

图5-1 升降缸结构示意图

1-进气口 2-活塞 3-活塞杆 4-连接板 5-导向杆

该升降缸采用直线缸，双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。当进气口1进气后，带动2活塞和3活塞杆做向上升的直线运动，从而带动4连接板的动作，间接使得手臂做上升的运动，5导向杆起到支撑和导向作用。

5.2 手臂偏重力矩的计算

手臂及机身重力分布如图5-2所示，由此可计算偏重力矩。

27

图5-2 手臂各部件重心位置图

（1）零件重量G工件、G爪、、G臂等，现在对机械手手臂做粗略估算：G工件=7.89Kg，G爪= 5Kg，G臂=15.01Kg，估算G总=42.9KG。

(2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离： 已知： P工件和手抓=552mm，P手臂=100mm，P总=308mm。

p?p工件G工件+p手抓G手抓+p手臂G手臂G总 (5-1)

P总=308mm，所以回转半径为308mm。

(3) 计算偏重力矩

M偏=G总?p (5-2)

M偏=G总p=42.9Kg?9.8Kg/N?0.308m?129.5N m

28

5.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

驱动载荷的计算公式：

P驱=P惯+P摩+P封+P背?G （5-3）

式中： P惯性──启动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力， P摩 ──摩擦阻力，F摩=?G，对于圆柱面?=2×0.16×1.57=0.5024， P

（1）粗略计算运动部件总重力：

由前面设计的小手臂、手爪以及工件的重量，可以大约估计小手臂伸缩液压缸活塞杆尺寸为?130mm，手臂液压缸活塞杆总长1000mm。按圆柱体粗略计算 ：G总为400N。

（2）摩擦力的计算：

F摩=2FR1f （5-4）

回 ──液压缸回油腔低压油液所

造成的阻力， P密──密封装置处的摩擦阻力，G──零部件及所受总重力。

FR1=FR2=G总p400N?0.308m??4004N h0.041mF摩=2FR1f=2?4004?0.16=1281.2N

（3）惯性力的计算：

F惯=G?? （5-5） g?t式中??──由静止加速到常速的变化量，由于此机械手属于中小型装置，取

??=4m/min，?t── 启动过程时间，本设计取0.02s。

G??400?0.067m/s==136.7N 则有F惯=g?t9.8?0.02s（4）密封装置处的摩擦阻力：

大手臂升降气压缸采用了“O”形密封圈活塞与活塞杆处采用的“O”形密封圈时，所以密封摩擦力可以通过近似估算0.03F F 。

（5）液压缸回油腔低压油液所造成的阻力： 一般的背压阻力较小，可按 F回=0.05F。

综上计算可得出小手臂伸缩液压缸驱动力的计算得：

P驱=P惯+P摩+P封+P背?G=2696N/2536N

5.3.1 升降缸的内径D和活塞杆d的计算

D=

4F4?2696??81.1mm πpπ?0.5529

根据实际情况、计算结果以及《机械设计手册》中的规定D取100mm。 5.3.2 升降缸行程的选择

由《机械设计手册》气压缸的行程参数系列,选择升降气压缸的行程S=800mm。 5.3.3 升降缸外径的选择

根据公式计算符合要求的壁厚

??PyD2[?] （5-6）

??

1.25?0.55?0.1?3.4mm

2?100根据实际情况壁厚设计为16mm，所以升降缸的外径为132mm

5.4 回转结构的设计

图5-3 底部回转机构结构图

1—电机输出轴 2—机械手回转基座 3—转盘轴承 4—回转台 5—手臂连接板 6—推力球轴承

整个机械手的回转是通过底部的1回转电机启动带动2回转基座，同时回转基座与4回转台通过螺钉连接，从而使得回转台带动整个机械手的回转运动，在结构中3转盘轴承和6推力轴承起到让机械手稳定旋转的作用。 5.4.1 电动机类型的选择

30

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vwag.html