小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计【10张CAD图纸+PDF图】

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托架为200×145mm方形有机玻璃，2公斤。 定位精度：±1mm ；运动速度：>2m/min； 工作行程：X:1000mm, Z:200mm； 设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。 工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，Z轴引动器则完成对工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。 具体结构设计 机械手设计要求为整体重量不超过2kg，考虑其工作状态，加速度为一倍重力加速度，因此在手指的选材上选择非金属材料，而且要求具有稳定的工作特性和防腐防老化的性能，综合各个方面要求选择聚丙烯材料，其密度低，工作特性稳定，且具有较高强度。 手指所承受的径向力F 3.1 重力 已知条件： 手指总长 l = 0.08m 集中载荷 P = 60N 弹性模量 E = 5GPa 截面的轴惯性矩 纵向作用力 Q = 60 N 剪切面积 许用剪切应力 [τ] = 33MPa 材料弹性模量 E = 5GPa 波松比 μ = 1 计算结果： 悬臂梁一的危险截面B处的: 支座反力 反力矩 最大剪力 最大挠度 最大转角 剪应力 τ = 0.75MPa 剪应变 2.2气缸的选择。 由气缸所提供的力为 3.2 安全系数K=1.2 3.3 气缸选择 根据机械手质量的要求，尽量选择尺寸较小的气缸。 初定气压0.8mpa 气缸内径20mm 3.4 3.5 选定气压1mpa 气缸内径25mm 3.6 3.7 选取气压1mpa 气缸内径35mm 3.8 1256>1212 因此选用气缸CM2YG40-25 质量0.176kg 工作环境-10—60摄氏度 气体压力1mp,用节流阀控制气缸前进速度，使手指达到每秒张开不大于。 2.3.1选择电动机容的量 电机分为直流电机与交流电机，根究的工作要求于各个国家的所用交流电之间的差异，因此选用直流电动机。直流电机，额定电流有12V、24v、42v等。 2.3．2确定电动机转速 翻转时力矩 3.9 有效功率为 3.10 手腕的翻转速度： η1 、η2、分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》表9.1取η1 =0.98，η2=0.97，则 滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015 直齿轮齿轮的机械效率 轴承的机械效率 从电动机到翻转轴输送总效率 3.11 所以电动机所需工作功率为 3.12 初选电机SM40-00130LFB，转速3000r/min,转矩0.1N·m，质量0.23kg。 3.13 电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i<4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，因此选用电机SM40-00130LFB需要做5级减速装置，这样会大大加大机械手的重量与机械复杂程度，因此此电机不符合设计要求。 2.4手腕旋转电机选择 选择电机GMP-2855TD720为转速13r/min，额定功率44w，转矩2N·m。 图3.3电动机安装尺寸 L=25mm 减速比 3.14 计算传动装置各轴的运动和动力参数 I轴 II轴 各轴的输入功率 I轴 II轴 3.15 各轴的输入转矩 3.16 3.17 轴名 功率P/w 转矩T/(N·m) 转速n/(r/min) 传动比 效率 I轴 1.18 0.086 13 1.3 0.95 II轴 1.12 0.081 10 表3.1轴的运动参数 电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。 质量0.12kg 工作环境-10—70摄氏度 2.4.1选择电动机容的量 按工作要求和工作条件选用无刷直流伺服电机，额定电流24v。 翻转时力矩 3.18 有效功率为 3.19 式中，、分别为轴承、齿轮传动传动效率。由《机械设计手册》成大先版表9.1取，，则 滚珠轴承的的摩擦系数为u=0.0010—0.0015 轴承的机械效率 直齿轮齿轮的机械效率 从电动机到翻转轴输送总效率 3.20 所以电动机所需工作功率为 3.21 2.4．2确定电动机转速 电机转速的选择因手抓的动作要求平缓，且转速不能过高，考虑齿轮减速比i<4因此电机的转速不宜过大因此手腕的转速控制在60度每秒左右，选用电机为转速13r/min，减速比i=1.3。 图3.4电机安装尺寸 计算传动装置各轴的运动和动力参数 I轴 II轴 各轴的输入功率 I轴 II轴 3.22 各轴的输入转矩 3.23 3.24 轴名 功率P/w 转矩T/(N·m) 转速n/(r/min) 传动比 效率 I轴 1.89 0.138 13 1.3 0.95 II轴 1.80 0.131 10 表3.1轴的运动参数 电机选择GMP-2855TD720无刷直流电机，额定电流24v。 质量0.12kg 工作环境-10—70摄氏度 　　 直流无刷电机是用电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了10-30倍。 外置驱动的直流无刷属静态电机，空载电流小；输出效率高；外置驱动的无刷电机可以做到体积很小。 内置驱动器的无刷电机，由于散热问题， 在电机运行一段时间后，就出现发热情况。 缺点：无霍尔的无刷电机在起动时有轻微振动，速度正常后就感觉不到振动现象了；空心杯结构的无刷电机价格高，控制器要求高；外置驱动器的无刷电机，使用不方便，需要外配控制器，在尺寸、成本方面不易控制 三．参考文献 【1】 成大先.机械设计手册.第1版.北京：化学工业出版社，2002 1-5卷 【3】 工业机器人技术 郭洪红主编：西安电子科技大学出版社 【3】机械原理 高中庸主编 华中科技大学出版社 【4】 材料力学 章梓茂主编 高等教育出版社 【5】 工业机器人的操作设计 马香峰 冶金工业出版 1996 【6】 工业机械手设计 李允文 机械工业出版社 1996 【7】 工业机械手设计基础 天津大学《工业机械手设计基础》编写组 1980 【8】 工业机械手图册 机械工业出版社 1978 【9】 机械手 作者（苏联）A.N.别洛夫 原子能出版社 【10】 机械设计手册（软件版）R2.0 数字化手册系列（软件版）编写委员会 机械工业出版社 9 上海电机学院 毕业设计（论文）开题报告 课题名称 小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化（数控） 班 级 学 号 姓 名 指导教师 定稿日期： 2015 年 3月 11日 小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计 1 所选题目的及其意义 本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。 希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 2.1国内机械手领域的现状和发展 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 2.2 国外机械手领域发展趋势 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 市场上的龙门机械手结构示意图: 3 研究内容 3.1 课题的技术要求 工件形状：φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体;托价为200×145mm方形有机玻璃，2公斤。 定位精度：±1mm；运动速度：＞2m/min； 工作行程：X：1000mm，Z：200mm； 设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。 工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，Z轴引动器则完成对工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。 3.2方案设计 1.机械手的设计。 2.X.Y两个方向的运动传动设计。 3.总体方案设计。 3.3结构设计 1.机械手的结构设计。 2.X.Y.两个方向的传动结构设计。 3.总体方案结构设计。 4.零部件设计。 4 研究方案 4.1机械手抓紧方案设计 4.1.1手部结构 机器人的手部是机器人最重要的部件之一，从其功能和形态上看，分为工业机器人的手部和类人机器人的手部。目前前者应用较多，也较成熟，后者正在发展中。工业机器人的手部夹持器（亦称抓取机构）是用来握持工件或工具的部件，由于被握持工件的形状、尺寸、重量、材料及表面状态的不同。其手部结构也是多种多样的，大部分的手部结构都是根据特定的工件要求而专门设计的，按握持原理的不同，常用的手部夹持器分为如下两类： 1）夹持式：包括内撑式与外夹式，常用的还有勾托式和弹簧式等。 2）吸附式：包括气吸式与磁吸式等。 4.1.2手指的形状和分类 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。 4.1.3设计时考虑的几个问题 1)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。 2)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持物体的反作用力外，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。 3) 由3.1课题的技术要求可知。该机械手工作需要夹取的是方形托盘，托着的工件为φ50×50mm的铝制圆柱体；或φ50×50mm的塑料圆柱体。以铝的密度计算，工件的最大质量为0.264KG。加上2KG的托架，总共2.264KG。属于轻载。所以最终决定选用气压传动的通用机械手。 作结构简图如下: 图1：机械手结构示意图 由驱动杆上的圆柱销套在滑槽内，当驱动连杆同圆柱销一起作往复运动时，即可拨动两个手指个绕其支点作相对回转运动，从而实现手指的夹紧与松开动作。 4.2 龙门机架的方案设计 4.2.1现有的机械传动方式的简述 通常来说，用于步进、伺服电机驱动的机械传动机构，一般有以下几类： 1.丝杠：是将旋转运动转换成线性运动，或将直线运动化为回转运动的元件。普通梯形丝杠可以自锁，但是传动效率较低不适合高速往返运动。滚珠丝杠传动效率高、精度高、噪音低，适合高速往返运动。但传动跨度不可太大。 2.齿条和小齿轮：承载力大，传动精度较高，可达0.1mm，可无限长度对接延续，传动速度高。但噪音较大，较易磨损。 3.传送带（同步带）：可以高速传动，噪声低。缺点是不可长距离传动，否则皮带的变形会影响定位与控制。 4.齿轮组：是传动效率最高的传动元件。但是由于齿轮本身形状的限制，无法应用于长距离传动。 5.链条驱动：载荷高，传动效率高。但链条的磨损会导致传动精度下降。 6.主轴驱动：可调速范围大，传动效率高。 4.2.2 X方向传动方式及结构设计 由X轴方向工作范围为1000mm，要求在水平方向上精确定位，工作速度大于2m/min。故选用同步带传动。由步进电机带动主动轮转动，与水平方向上的从动轮联动，带动滑块做X方向的水平运动。滑块与同步带通过齿轮传动。左右两端安装两个限位装置，限制位移。为保证传动的稳定性，在上下两侧设计装配了两条平行导轨。 作结构简图如下： 图2：X方向结构示意图 滑块背面示意图： 图3：滑块背面示意图 4.2.3 Z方向传动方式及结构设计 由Z轴方向工作范围为200mm，Z轴引动器完成对工件提起或放下操作。其末端为抓取释放工件的机械手，需精确定位。且在工作中需多次完成高速往返运动。故选用丝杠螺母副作为传动机构。设计螺母副固定，丝杠由顶端步进电机通过联轴器带动做上下往复运动。为保证传动的稳定，在两侧设计装配了两条导轨。 作结构简图如下： 图4：Z方向运动结构示意图 4.3总体方案 综合上面的结构设计方案，现提出以下设计方案，龙门机架的同步带机构装配在机架中间，由步进电机驱动。丝杠螺母机构安装到一块固定板上，再装配到同步带机构驱动的滑板上。气动通用机械手装配在丝杠螺母机构的末端。 作总装配的结构简图如下： 图 5：总体方案结构示意图 设计机械手的动作流程如下： 图 6：设计流程图 5 进度计划 2014.12 调研、查找相关资料 2014.01 开题、拟定总体设计方案 2015.02 完善开题报告，完成文献翻译 2015.03~2015.04 设计计算、初步完成总装配图、部件图、零件图的绘制 2015.05~2015.06 完善图纸、撰写设计说明书，准备答辩。 6 参考文献 [1] 蔡自兴.机器人学[M].北京.清华大学出版社,2000. [2] 王革华.新能源概论[M].北京:化学工业出版社,2006. [3]John Nofsinger. 美国物料搬运和物流管理的市场及发展趋势[J].机电信息,2001(12).58 [4] 吴治坚.新能源和可再生能源的利用[M].北京:机械工业出版社,2006. [5] 丁树模.机械工程学[M].北京:机械工业出版社,2000. [6] 李昌辉. 自动上料机器人系统开发[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2009.6 [7] 尹自荣,熊晓红,骆际焕,王建坤. 数控上下料机械手的研究及应用[D].武汉：华中理工大学，2010.5 [8]陈佩云，金茂菁，曲忠萍.我国工业机器人发展现状[J].机器人技术与应用，2001年第1期 [9]康立新，马建华.工业机械手的设计[J].工程技术 [10]芮延年. 机器人技术及应用[M]. 北京:化学工业出版社, 2008 [11]宗光华. 新版机器人技术手册[M]. 北京: 科学出版社, 2007 [12]陈心昭. 现代实用机床设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006. [13]于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计[J].武汉：武汉化工学院机械工程学院，2003.10 [14］金茂青，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用 ，2005 [15］孙树栋.工业机器人技术基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006 [16］严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，2003 [17］谢存禧，张铁.机器人技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2008 [18］朱世强，王宣银.机器人技术及其应用[M].浙江：浙江大学出版社，2004 [19] Doughty S.Mechanics of Machines.New York:John Wiley &Sons Inc.,1988 [20]Jensen P. W.Classical and Modern Mechanisms for Engineers and Inventors.New York:Marcel Dekker Inc.,1991 指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 上海电机学院 毕业设计任务书 课 题 小型柔性生产系统 龙门机械手机械设计 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 2011级 姓 名 学 号 指 导 教 师 （签字） 学 院（系）院长（签字） 2014 年 月 日 注：本任务书由上海电机学院教务处印制。 任务书反面： 课题 来 源 企业项目 课 题 的 目 的 、 意 义 本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。 要 求 课题的技术要求： 工件和托架形状：工件为φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体; 托架为200×145mm方形有机玻璃，2公斤。 定位精度：±1mm ；运动速度：>2m/min； 工作行程：X:1000mm, Z:200mm； 设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。 工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，Z轴引动器则完成对工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。 课题工作量要求： 设计计算说明书1.5万字以上；完成总装图，A0图纸1张；完成零、部件图等合计A0图纸1张。 课 题 主 要 内 容 及 进 度 课题主要内容： 收集、研读国内外柔性生产系统龙门机械手的设计技术资料，特别是结构设计方面的资料； 根据技术要求拟定设计方案，包括整体结构，机械传动方案； 设计详细结构，画出总装配图、部件图并完成相应的设计计算； 挑选部分典型零件设计零件工作图； 撰写设计计算说明书。 工作进度： 2014.12 调研，查找相关资料 2015.01 开题，拟定课题总体方案 2015.02 修改、完善开题报告 2015.03-2015.04 设计计算，初步完成总装图、部件图和零件图 2015.05-2015.06 完善图纸，撰写设计说明书，准备答辩。 以上各项由指导教师填写（请用钢笔填写） 宁XX大学 毕业设计(论文) 小型柔性生产系统龙门机械手 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 摘 要 近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。 机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。 本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。 本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。 关键词：机械手；工业；传动；强度 II Abstract Industrial manipulator is composed of target of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, operation, automatic control, a kind of imitation of human multiple programming, to complete the work of every kind of Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial machinery hand to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technique combined with multi discipline knowledge. Including mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and so on. It is the very active, very wide application areas. The manipulator has many human beings do not have, including the rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of the progress of industry, it also plays a vital role in the modern industry. Nowadays, industrial robot has become the concern of the industry all over the world. This subject comes from the Yalong YL-221 automation to flexible production system, the machine independent innovation training system to simulate the actual industrial production system, according to the different stages of production machine is provided with a plurality of workstation: automatic access overhead warehouse, handling robot station, line conveyor, conveyor station station 90 degree turn, mechanical processing station, station, the station code heap. We design a robot will be used in Longmen, staff entry, disconnected to the conveyor belt parts are transported by mechanical hand, to the completion of the work of safety grip and release, and the parts from one end to the other end of the conveyor belt production line position specified on the conveyor belt. This paper expounds the development history of the manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the design requirements of the manipulator specific and detail structure design, overall design and various degrees of freedom. Key Words: robot; industrial; transmission; strength 33 目 录 摘 要 II Abstract III 目 录 IV 第1章 绪论 1 1.1 机械手概念 1 1.2 课题研究的背景和意义 1 1.3 国内机械手的研究 1 1.4机械手的应用 2 第2章 总体方案机构设计 3 2.1课题的技术要求 3 2.2设计原理 3 第3章 Z向结构及传动设计 5 3.1滚珠丝杆副的选择 6 3.1.1导程确定 6 3.1.2确定丝杆的等效转速 6 3.1.4确定丝杆的等效负载 6 3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷 7 3.1.6精度的选择 8 3.1.7选择滚珠丝杆型号 8 3.2校核 8 3.2.1 临界压缩负荷验证 8 3.2.2临界转速验证 9 3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 10 3.3电机的选择 11 3.3.1电机轴的转动惯量 11 3.3.2电机扭矩计算 12 第4章 X轴水平移动传动设计 14 4.1 同步带计算选型 15 4.2 同步带的主要参数（结构部分） 18 4.3 同步带的设计 20 4.4 同步带轮的设计 21 4.5 轴的校核 21 4.6 键的校核 22 4.7 轴承的校核 23 第5章 手指的相关设计与计算 25 5.1 手指的相关设计与计算 25 5.2 手爪结构设计与校核 26 5.3 结构分析 27 5.4计算分析 28 5.5 机械手手抓夹持精度的分析计算 29 总 结 31 参考文献 32 致 谢 33 第1章 绪论 1.1 机械手概念 机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。 1.2 课题研究的背景和意义 本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。 本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。 1.3 国内机械手的研究 机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。 在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。 国际机械手的发展方向: 机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。 机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。 1.4机械手的应用 机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。 第2章 总体方案机构设计 2.1课题的技术要求 工件和托架形状：工件为φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体; 托架为200×145mm方形有机玻璃，2公斤。 定位精度：±1mm ；运动速度：>2m/min； 工作行程：X:1000mm, Z:200mm； 设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。 工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。 机构简图 2.2设计原理 为了使工件保持准确的相对位置，必须根据要去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。 Z轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—滚珠丝杠 X轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—同步带—带动Z轴部分滑动。 第3章 Z向结构及传动设计 表 3-1滚珠丝杆副支承 支承方式 简图 特点 一端固定一端自由 结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。 一端固定一端游动 需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。 两端固定 只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。 3.1滚珠丝杆副的选择 滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。 设X向最大行程为250mm,最快进给速度为100mm/s,大概质量为50kg, 假设大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，(其中包括工件质量2kg)工作台最大行程为200mm。 3.1.1导程确定 电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为 取Ph=12mm 3.1.2确定丝杆的等效转速 基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故 3.1.4确定丝杆的等效负载 工作负载是指工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.1~1.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为 其等效载荷按下式计算（式中取，） 3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷 fw-------负载性质系数，（查表：取fw=1.2） ft--------温度系数（查表：取ft=1） fh-------硬度系数（查表：取fh =1） fa-------精度系数（查表：取fa =1） fk-------可靠性系数（（查表：取fk =1） Fm------等效负载 nz-------等效转速 Th ----------工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h 由上式计算得Car=17300N 表3-1-1各类机械预期工作时间Lh 表3-1-2精度系数fa 表3-1-3可靠性系数fk 表3-1-4负载性质系数fw 3.1.6精度的选择 滚珠丝杠副的精度对电气的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为1～3级（1级精度最高），Z轴为2～5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。 3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN, 则Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN 公称直径Ph=12mm 则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD4010—3。 公称直径 d0=30mm 丝杆外径d1=29.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=24.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/μm 3.2校核 滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。 3.2.1 临界压缩负荷验证 丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： 式中E------材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受压长度（m） K1-------安全系数，取K1=1.3 Fmax-------最大轴向工作负荷（N） f1-------丝杆支撑方式系数：f1=15.1 I=丝杆最小截面惯性距（m4） 式中do--------是丝杆公称直径（mm） dw------------滚珠直径（mm）， 丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量 Lu=300+148+20X2=488mm 支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm 代入上式计算得出Fca=5.8X108N 可见Fca＞Fmax，临界压缩负荷满足要求。 3.2.2临界转速验证 滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最高转速： 式中：A------丝杆最小截面：A= -------丝杠内径，单位； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m) --------临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm ----------安全系数，可取=0.8 fZ----------丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9 经过计算，得出= 6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式 式中 A——丝杠最小横截面，； 螺母座刚度KH=1000N/μm。 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。 经计算得： 式中 Ke ——滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/μm)； KH——螺母座的刚度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——丝杠副内滚道的接触刚度(N/μm)； KS——丝杠本身的拉压刚度(N/μm)； KB——轴承的接触刚度(N/μm)。 经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。 3.3电机的选择 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。 3.3.1电机轴的转动惯量 a、回转运动件的转动惯量 上式中：d—直径,丝杆外径d=29.5mm L—长度=1m P—钢的密度=7800 经计算得 b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量 上式中：M—质量 X向直线运动件M=160kg P—丝杆螺距（m）P=0.001m 经计算得 c、联轴器的转动惯量 查表得 因此 3.3.2电机扭矩计算 a、折算至电机轴上的最大加速力矩 上式中： J=0.0028kg/m2 ta—加速时间 KS—系统增量，取15s-1,则ta=0.2s 经计算得 b、折算至电机轴上的摩擦力矩 上式中：F0—导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32N P—丝杆螺距（m）P=0.001m η—传动效率，η=0.90 I—传动比，I=1 经计算得 c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩 上式中P0—滚珠丝杆预加载荷≈1500N η0—滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9 经计算的T0=0.05N·M 则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。 第4章 X轴水平移动传动设计 图4.1是北京和利时电机技术有限公司部分110BYG系列混合式步进电机的技术数据。 图4.2 110BYG系列混合式步进电机的技术数据 所以根据计算所得数据选择110BYG350DH-SAKRMA型号的电机，图3.5是110BYG系列混合式步进电机的型号说明。 图3.5 110BYG系列混合式步进电机的型号说明 110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸，如图4.4所示。 图4.4 110BYG系列混合式步进电机的外形尺寸 110BYG系列混合式步进电机的矩频特性曲线，如图3.7所示。 图3.7 110BYG350DH型电机矩频特性曲线 4.1 同步带计算选型 设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的，表达式如下： 式中 ——需要传递的名义功率 ——工作情况系数，按表2工作情况系数选取=1.7； 表2.工作情况系数 2） 确定带的型号和节距 可根据同步带传动的设计功率Pd'和小带轮转速n1，由同步带选型图中来确定所需采用的带的型号和节距。 其中Pd=0.63kw，n1=61rpm。查表3-2-2 表3-2-2 选同步带的型号为H：，节距为：Pb=8.00mm 3) 选择小带轮齿数z1，z2 可根据同步带的最小许用齿数确定。查表3-3-3得。 查得小带轮最小齿数14。 实际齿数应该大于这个数据 初步取值z1=34故大带轮齿数为：z2=i×z1=1×z1=34。 故z1=34，z2=34。 4） 确定带轮的节圆直径d1，d2 小带轮节圆直径d1=Pbz1/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 大带轮节圆直径d2=Pbz2/π=8.00×34/3.14≈86.53mm 5） 验证带速v 由公式v=πd1n1/60000计算得， s﹤vmax=40m/s,其中vmax=40m/s由表3-2-4查得。 10、同步带带长及其齿数确定 =() = =719.7mm 11、带轮啮合齿数计算 有在本次设计中传动比为1，所以啮合齿数为带轮齿数的一半，即=17。 12、基本额定功率的计算 查基准同步带的许用工作压力和单位长度的质量表4-3可以知道=2100.85N，m=0.448kg/m。 所以同步带的基准额定功率为 ==0.21KW 表4-3 基准宽度同步带的许用工作压力和单位长度的质量 13、计算作用在轴上力 = =71.6N 4.2 同步带的主要参数（结构部分） 1、同步带的节线长度 同步带工作时，其承载绳中心线长度应保持不变，因此称此中心线为同步带的节线，并以节线周长作为带的公称长皮，称为节线长度。在同步带传动中，带节线长度是一个重要 参数。当传动的中心距已定时，带的节线长度过大过小，都会影响带齿与轮齿的正常啮合，因此在同步带标准中，对梯形齿同步带的各种哨线长度已规定公差值，要求所生产的同步带节线长度应在规定的极限偏差范围之内（见表4-4）。 表4-4 带节线长度表 2、带的节距Pb 如图4-2所示，同步带相邻两齿对应点沿节线量度所得约长度称为同步带的节距。带节距大小决定着同步带和带轮齿各部分尺寸的大小，节距越大，带的各部分尺寸越大，承载能力也随之越高。因此带节距是同步带最主要参数．在节距制同步带系列中以不同节距来区分同步带的型号。在制造时，带节距通过铸造模具来加以控制。梯形齿标准同步带的齿形尺寸见表4-5。 3、带的齿根宽度 一个带齿两侧齿廓线与齿根底部廓线交点之间的距离称为带的齿根宽度，以s表示。带的齿根宽度大，则使带齿抗剪切、抗弯曲能力增强，相应就能传动较大的裁荷。 图4-2 带的标准尺寸 表4-5 梯形齿标准同步带的齿形尺寸 4、带的齿根圆角 带齿齿根回角半径rr的大小与带齿工作时齿根应力集中程度有关t齿根圆角半径大，可减少齿的应力集中，带的承载能力得到提高。但是齿根回角半径也不宜过大，过大则使带 齿与轮齿啮合时的有效接触面积城小，所以设计时应选适当的数值。 5、带齿齿顶圆角半径八 带齿齿项圆角半径八的大小将影响到带齿与轮齿啮合时会否产生于沙。由于在同步带传动中，带齿与带轮齿的啮合是用于非共扼齿廓的一种嵌合。因此在带齿进入或退出啮合时， 带齿齿顶和轮齿的顶部拐角必然会超于重叠，而产生干涉，从而引起带齿的磨损。因此为使带齿能顺利地进入和退出啮合，减少带齿顶部的磨损，宜采用较大的齿顶圆角半径。但与齿根圆角半径一样，齿顶圆角半径也不宜过大，否则亦会减少带齿与轮齿问的有效接触面积。 6、齿形角 梯形带齿齿形角日的大小对带齿与轮齿的啮合也有较大影响。如齿形角霹过小，带齿纵向截面形状近似矩形，则在传动时带齿将不能顺利地嵌入带轮齿槽内，易产生干涉。但齿形角度过大，又会使带齿易从轮齿槽中滑出，产生带齿在轮齿顶部跳跃现象。 4.3 同步带的设计 在这里，我们选用梯形带。带的尺寸如表4-6。带的图形如图4-3。 表4-6 同步带尺寸 型号 节距 齿形角 齿根厚 齿高 齿根圆角半径 齿顶圆半径 H 8 40。 6.12 4.3 1.02 1.02 图4-3 同步带 4.4 同步带轮的设计 同步带轮的设计的基本要求 1、保证带齿能顺利地啮入与啮出 由于轮齿与带齿的啮合同非共规齿廓啮合传动，因此在少带齿顶部与轮齿顶部拐角处的干涉，并便于带齿滑入或滑出轮齿槽。 2、轮齿的齿廊曲线应能减少啮合变形，能获得大的接触面积，提高带齿的承载能力即在选探轮齿齿廓曲线时，应使带齿啮入或啮出时变形小，磨擦损耗小，并保证与带齿均匀接触，有较大的接触面积，使带齿能承受更大的载荷。 3、有良好的加了工艺性 加工工艺性好的带轮齿形可以减少刀具数量与切齿了作员，从而可提高生产率，降低制造成本。 4、具有合理的齿形角 齿形角是决定带轮齿形的重要的力学和几何参数，大的齿形角有利于带齿的顺利啮入和啮出，但易使带齿产生爬齿和跳齿现象；而齿形角过小，则会造成带齿与轮齿的啮合干涉，因此轮齿必须选用合理的齿形角。 4.5 轴的校核 需要验算传动轴薄弱环节处的倾角荷挠度。验算倾角时，若支撑类型相同则只需验算支反力最大支撑处倾角；当此倾角小于安装齿轮处规定的许用值时，则齿轮处倾角不必验算。验算挠度时，要求验算受力最大的齿轮处，但通常可验算传动轴中点处挠度（误差<%3）. 当轴的各段直径相差不大，计算精度要求不高时，可看做等直径，采用平均直径进行计算，计算花键轴传动轴一般只验算弯曲刚度，花键轴还应进行键侧挤压验算。弯曲刚度验算；的刚度时可采用平均直径或当量直径。一般将轴化为集中载荷下的简支梁，其挠度和倾角计算公式见【5】表7-15.分别求出各载荷作用下所产生的挠度和倾角，然后叠加，注意方向符号，在同一平面上进行代数叠加，不在同一平面上进行向量叠加。 ：通过受力分析， 最大挠度： 查【1】表3-12许用挠度； 。 4.6 键的校核 键和轴的材料都是钢，由【4】表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由【4】式（6-1）可得 可见连接的挤压强度足够了，键的标记为： 4.7 轴承的校核 ⑴、轴轴承的校核 Ⅰ轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN, 由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对Ⅰ轴未端的滚子轴承进行校核。 ②轴传递的转矩 ∴ 受力 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为: 在水平面： 在水平面： ∴ ④因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，【4】表13-6查得载荷系数，取，则有： ⑤轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命 故该轴承6206能满足要求。 ⑵、其他轴的轴承校核同上，均符合要求。 第5章 手指的相关设计与计算 5.1 手指的相关设计与计算 设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求： （1）、手指握力的大小要适宜 确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及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，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。 （2）、应保证工件能顺利地进入或脱开手指 开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。 （3）、应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻 因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。 （4）、动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便 根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。 经过分析和比较此设计采用夹持式手部。手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。 一 、夹持式手部 夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。 二 、结构 夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计选择移动式的齿轮齿条手部。 5.2 手爪结构设计与校核 手爪种类 1.连杆杠杆式手爪 这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。 2.楔块杠杆式手爪 利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 3.齿轮齿条式手爪 这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。 5.平行杠杆式手爪 不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多 结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。 a．有适当的夹紧力 手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。 b．有足够的开闭范围 工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关 c．力求结构简单，重量轻，体积小 作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。 d．手指应有一定的强度和刚度 因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。 液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。 5.3 结构分析 机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可以分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采用气压驱动。 工件尺寸：工件为φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体 机械手最大抓重：2kg 图2-1 手部装配图 5.4计算分析 因工件运动速度引起视在重量增加情况下的夹紧力计算 机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P，P＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q（方向沿手指的运动方向）.设3个手指以摩擦力3μQ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q. 如图2-2所示，工件以加速度a垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立. 得 代入数据，得 选取活塞杆直径d=0.5D,选择气缸工作压力P=0.81MPa, 根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm 则活塞杆内径为: D=630.5=31.5mm，选取d=32mm 为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。 手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最 大夹持半径计算如下： 机械手的夹持半径从20-30mm （a） (b) 手抓张开示意图 5.5 机械手手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能。 机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、 小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。 图3.3 手抓夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为φ50×50mm 一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 偏转角按最佳偏转角确定： 计算 当S时带入有： 夹持误差满足设计要求。 总 结 本文完成了机械手的毕业设计，中间遇到很多困难，多谢老师指导。当我们不理解，不会做的时候，指导老师及时给予我们知识的补充；显然那时的我们更像是一种知识的灌入状态，而毕业设计的过程则更注重的是自我的锻炼。我想倘若大学四年没有多次课程设计打下的坚实基础，可能我们要完成此次毕业设计就变成困难至极了。因此我在此对大学四年带过我课程设计的所有指导老师诚挚的道声谢谢！ 参考文献 [1] 汪恺. 机械设计标准应用手册[M]. 机械工业出版社. 1997.8. 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Control of a Wearable Robot Using a Power Supply through USB[A].In: 20th Annual Conference of the Robotics Society of Japan - Celebrating the RSJ's 20th Anniversary[C], Osaka, Japan2002.2-2 致 谢 写到这，代表了我的论文也将来接近尾声了。是的大学四年最后一个课程—毕业设计，在此将要接受老师们和同学们的检阅，无论做得好与不好，这个过程也是必须要经历的。首先对所有评阅的老师们表示感谢，我诚意接受你们的教导，也希望能得到你们对我努力的肯定。 如果说课程设计是一种体验，那毕业设计可以称得上是一种锻炼。记得课程设计的时候，指导老师们都是手把手的带着我们，每天我们会在指导老师的指导下在课室里完成任务。当我们不理解，不会做的时候，指导老师及时给予我们知识的补充；显然那时的我们更像是一种知识的灌入状态，而毕业设计的过程则更注重的是自我的锻炼。我想倘若大学四年没有多次课程设计打下的坚实基础，可能我们要完成此次毕业设计就变成困难至极了。因此我在此对大学四年带过我课程设计的所有指导老师诚挚的道声谢谢！ 此次毕业设计，历时半年有余，我翻阅了大量的文献资料，查阅了大量的相关书籍；从没有头绪到渐渐发现思路，从不知如何下手到大胆尝试，从请教指导老师到自己独立思考，最终完成了我们这个课题的设计。 我能够完成除了自身努力外，还得到了指导老师唐可洪老师的细心指导，刘国光老师总会在关键的时候出现，并会及时督促我们的工作，严格要求我们，对我们每段时期的工作任务都认真把关；我想真心感谢给予我指导的XX老师。