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哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文
沖壓機械手—手臂部分設計
摘要
本文所設計的沖壓機械手用于搬運工件，為了增加本機械手的通用性，在結構盡可能緊湊的情況下，最大限度地使工業(yè)機械手具有較大的抓取范圍。
本文主要介紹了沖壓機械手的概念、組成和分類，機械手的自由度和坐標形式、運動及國內外的發(fā)展狀況。對沖壓機械手進行總體方案設計，首先確定了機械手的坐標形式為圓柱坐標型，自由度數(shù)為5，接著確定了機械手的驅動裝置為液壓缸，然后確定了機械手的主要技術參數(shù)。同時，設計了機械手的手部結構形式為滑槽杠桿式鉗爪、手腕的結構形式為采用電機帶動腕回轉、臂部結構形式采用雙導向桿導向，機身結構形式為升降缸置于回轉缸之上的結構形式，計算出了夾緊工件所需的驅動力、手腕轉動時所需的驅動力矩、手臂伸縮所需的驅動力、手臂俯仰所需的驅動力、手臂升降所需的驅動力和手臂回轉所需的驅動力矩。繼而設計了沖壓機械手的各個部分液壓缸的尺寸和結構及各個部分之間連接與支承部件的結構與尺寸。
關鍵詞 液壓驅動；沖壓機械手；液壓缸
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II
目錄
摘要…… I
第1章 緒論 1
1.1 機械手的含義 1
1.2 機械手的產生、應用與發(fā)展 1
1.2.1 機械手的產生（簡史） 1
1.2.2 應用簡況 2
1.2.3 發(fā)展趨勢 2
1.3 沖壓機械手的組成與運動 3
1.3.1 沖壓機械手的組成 3
1.3.2 沖壓機械手的運動 5
第2章 沖壓機械手的手部設計 10
2.1 概述 10
2.2 手部機構形式 10
2.2.1 手爪 10
2.2.2 傳動裝置 10
2.2.3 驅動裝置 10
2.3 前爪式手部機構的選用要點 11
2.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算 11
2.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機構的驅動力計算 13
2.6 手部夾緊液壓缸的設計與計算 13
2.7 本章小結 14
第3章 沖壓機械手的腕部設計 15
3.1 概述 15
3.2 腕部回轉力矩的計算 15
3.2.1 摩擦阻力矩 15
3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩 15
3.2.3 腕部啟動時的慣性阻力矩 16
3.3 本章小結 17
第4章 工業(yè)機械手臂部的設計 18
4.1 概述 18
4.2 沖壓機械手臂部的結構形式 18
4.2.1 沖壓機械手臂部伸縮運動的結構 19
4.2.2 沖壓機械手臂部俯仰運動的結構 19
4.2.3 沖壓機械手臂部回轉及升降的結構 20
4.2.4 導向裝置 20
4.3 沖壓機械手臂部運動驅動液壓缸的設計與計算 21
4.3.1 手臂水平伸縮運動驅動液壓缸的計算 21
4.3.2 手臂垂直升降運動驅動液壓缸的設計與計算 22
4.4 沖壓機械手的液壓緩沖裝置 23
4.5 本章小結 24
結論 25
致謝 26
參考文獻 27
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II
第1章 緒論
1.1 機械手的含義
“機械手”（mechanical hand，也被稱為“自動手”(auto hand), 多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內一般稱作機械手或者專用機械手）。它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應用。
1.2 機械手的產生、應用與發(fā)展
1.2.1 機械手的產生（簡史）
早在20世紀初，隨著機床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條零件加工自動線，為了解決自動線、自動機的上下料與工件的傳送，采用了專用機械手代替人工上下料與傳送工件。可見專用機械手就是作為自動機、自動線的附屬裝置出現(xiàn)的。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
我國雖然開始研究工業(yè)機械手僅比日本晚5～6年，但由于種種原因，工業(yè)機械手計時的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人（工業(yè)機械手）技術，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機械手技術必將獲得迅速發(fā)展。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）中的重要一環(huán)。
1.2.2 應用簡況
機械手的應用意義可以概括如下：
應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。
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或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。
機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。
國內機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。
國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝像機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。
1.2.3 發(fā)展趨勢
目前機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。
此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。
視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。
觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。
更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.3 沖壓機械手的組成與運動
1.3.1 沖壓機械手的組成
工業(yè)機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成關系如圖1-1：
圖1-1 沖壓機械手的組成
1.執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機械手完成握取工件（或者工具）實現(xiàn)所需的各種運動的機械部件，包括以下幾個部分：
（1）手部：是工業(yè)機械手直接與工件（或者工具）的部件。有些工業(yè)機械手直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設置手部。
（2）腕部：是工業(yè)機械手中聯(lián)接手部與臂部、主要用來確定手部工作位置并擴大臂部動作范圍的部件。有些專用機械手沒有手腕部件，而是直接將手部安裝在臂部的端部。
（3）臂部：是工業(yè)機械手用來支承腕部和手部實現(xiàn)較大運動范圍的部件。
（4）機身：是工業(yè)機械手用來支承手臂部件，并安裝驅動裝置及其他裝置的部件。專用機械手一般將臂部裝在主機上，成為主機的附屬裝置。
2.驅動系統(tǒng)
驅動系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力的裝置。采用的動力源不同，驅動系統(tǒng)的傳動方式也不同。驅動系統(tǒng)的傳動方式有四種:液壓式、氣壓式、電氣式和機械式。
（1）液壓式：液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
（2）氣壓式：氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，速度不易控制、響應慢、動作不平穩(wěn)、有沖擊，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。
（3）電氣式：其驅動系統(tǒng)一般是由電機驅動?，F(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。優(yōu)點是電源方便，信號傳遞運算容易、響應快、驅動力較大，適用于中小型工業(yè)機械手。但是必須要使用減速機構（如齒輪減速器、諧波齒輪減速器等），所需要的電機有步進電機、DC伺服電機和AC伺服電機等。
（4）機械式：其驅動系統(tǒng)由電機、齒輪、齒輪齒條、連桿等機械裝置組成，傳動可靠，適用于專一簡單的機械手。這種方式結構比較龐大。
本設計的手部夾緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂俯仰、手臂回轉均采用液壓式，腕部回轉考慮到回轉精度的原因，采用電氣式。
3.控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運動軌跡來分，原則上分為兩種：
（1）點位控制：主要控制空間兩點或者有限多個點的空間位置，而對其運動路徑沒有要求。專用機械手絕大多數(shù)均采用這種點位控制方式。
（2）連續(xù)軌跡控制：是用連續(xù)的信息對運動軌跡的任意位置進行控制，其運動軌跡是連續(xù)的。對運動軌跡有要求的工業(yè)機械手需要連續(xù)軌跡控制，如電弧焊、切割等。
1.3.2 沖壓機械手的運動
沖壓機械手的運動，擬分為沖壓機械手的自由度、運動范圍和各種運動形式來敘述。
1.沖壓機械手的自由度
沖壓機械手的手部所握持的工件（或工具）在空間的位置，是由臂部、腕部以及整機等各自獨立運動的合成來確定。確定手部中心位置與手部方位的獨立變化參數(shù)，就是工業(yè)機械手的自由度（有時被稱為運動軸、運動度等）。它是沖壓機械手的重要參數(shù)之一。
沖壓機械手的每一個自由度，都要相應地配一個原動件（如伺服馬達、油缸、氣缸、步進馬達等驅動裝置），當各原動件按一定的規(guī)律運動時，機械手各運動件就隨之確定的運動，自由度數(shù)與原動件數(shù)必須相等，只有這樣才能使工業(yè)機械手具有確定的運動。對于機械手來說，如果自由度越多，就能更接近人手的多種機能，通用性就更好，但自由度越多，結構越復雜，從而不容易滿足對整體結構在重量輕、體積小和高效率等方面的要求。這是沖壓機械手設計中的矛盾。目前一般沖壓機械手的自由度（除手部夾緊動作外）大多不超過五個。沖壓機械手常見的各種自由度包括：臂伸縮、臂回轉、臂俯仰、臂升降、腕部回轉、腕部俯仰、腕部直移、腕部擺動等。如圖1-2所示：
圖1-2 沖壓機械手的運動示意圖
2.沖壓機械手的運動范圍
沖壓機械手的運動范圍，是指機械手在平面或空間的運動軌跡圖形的形狀及其大小，是機械手的技術參數(shù)之一。機械手所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，其運動軌跡圖形也不同。而每個自由度的運動變化量（即直線運動的距離和回轉運動的回轉角度）的大小都決定著運動軌跡圖形的大小。一般情況下，臂部的自由度主要是用來確定手部以及工件（或工具）在空間的運動范圍和位置的。因此，臂部運動也稱為機械手的主運動，而腕部的自由度則主要用來調整手部以及工件（或工具）在空間的方位。
表1-1所列為臂部幾種自由度的不同組合及其運動范圍的圖形。臂部具有一個自由度時的運動軌跡為宜直線或圓弧；具有兩個自由度時，其運動軌跡為一平面或圓柱面；具有三個自由度時，其運動軌跡則從面擴大到空間成為立方體或回轉體（包括圓柱體和球體等）
表1-2為臂部運動組合的一般狀況。
表1-1 臂部自由度的組合及其運動范圍
組合運動
自由度數(shù)
直線運動
（T）
回轉運動
（R）
直線運動與回轉運動（T+R）
1
一直線運動構成一個直線軌跡
一回轉運動構成一圓弧軌跡
2
二直線運動構成一個矩形平面
二回轉運動構成一個球面軌跡
一個直線運動與一個回轉運動組合：①當直線運動方向與回轉中心線垂直時構成扇面形②當直線運動方向與回轉中心線想平行時構成一個圓柱面
3
三個直線運動構成一個立方體
①二直線運動，一個回轉運動構成圓柱體②二個回轉運動，一個直線運動構成球體
表1-2 臂部運動組合的一般狀況
3T
4%
4%
2T
3%
60%
3%
1T
2%
20%
0T
3%
0R
1R
2R
3R
3.工業(yè)機械手的各種運動形式
如前所示，由于臂部自由度的不同組合，其運動范圍的圖形也不同，可以將其歸納為以下五種形式：
（1）圓柱坐標型。這種運動形式的機械手的臂部都具有回轉、伸縮與升降三個自由度，其與電腦范圍的圖形為一個圓柱體。它具有占地面積小而活動范圍大，結構較簡單，緊湊，并能達到較高的定位精度，應用廣泛，運動直觀性強。
（2）極坐標型。該運動形式工業(yè)機械手的臂部有一個直線運動與兩個回轉運動組成，即有一個伸縮，一個俯仰與一個回轉運動組成。其運動范圍的圖形為一個球體。它具有動作靈活、占地面積小而工作時的運動范圍大燈特點。但結構較復雜、定位精度較低、運動直觀性差。
（3）直角坐標型。直角坐標型的工業(yè)機械手的臂部由三個直線運動組成，即由沿x,y,z軸三個方向的運動組成。運動范圍的圖形為立方體。其特點是結構簡單、定位精度高、運動直觀性強，但占地面積打而工作范圍小，慣性大靈活性差。
（4）多關節(jié)型。這種運動形式的工業(yè)機械手的臂部類似人的手臂可作幾個方向的轉動，它由立柱和大、小兩臂組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關節(jié)，客使大臂作回轉運動、小臂俯仰和大臂活動。其特點是工作范圍大、動作靈活、通用性強、能抓取靠近機座的物體，但是，其運動直觀性差，手部中心位置是由多個回轉角確定的， 要達到較高的定位精度很困難。
（5）SCARA型。這種形式的機械手實為水平多關節(jié)型機械手，多用于裝配，故也被稱為裝配機械手。動作靈活、速度快、定位精度高。表1-3列出了各種運動形式的特點對比。
表1-3 各種運動形式特點對比
形式
運動組合
工作范圍
所占空間
運動慣性
國外應用狀況
國內應用狀況
直觀性
其它
圓柱坐標型
2T
1R
較大
較小
較大
最多
多
較強
極坐標型
1T
2R
大
較小
較小
多
較少
差
能抓取地面物品
直角坐標型
3T
小
大
較大
少
較多
強
多關節(jié)型
最大
較小
較小
較多
最少
最差
能繞過障礙選取途徑
SCARA型
大
小
較小
多
少
較差
用于裝配
綜上所述，最后基本確定本設計沖壓機械手的運動形式為圓柱坐標型，自由度數(shù)為5，包括腕部回轉、臂伸縮、臂升降、臂回轉、臂俯仰。其中，臂俯仰機構采用在伸縮臂的后方加裝一直線油缸，起平衡作用，減少工件帶來的偏移，而且使臂部可以俯仰，從而增大整個沖壓機械手的運動范圍。
1.4 本章小結
本章通過對機械手的發(fā)展歷程的介紹，闡述了機械手在國內國外的應用前景及應用的廣泛性，能夠替代人工完成復雜和危險的工作。同時根據(jù)液壓機械設計，進一步確定了沖壓機械手的運動形式及其基本數(shù)據(jù)的確定。
第2章 沖壓機械手的手部設計
2.1 概述
手部機構是工業(yè)機械手最重要的執(zhí)行機構，它是沖壓機械手直接與工件、工具等接觸的部件，能執(zhí)行人手的部分功能。由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面狀態(tài)的不同，其手部機構是多種多樣的。大部分的手部機構都是根據(jù)特定的工件要求而專門設計的。
2.2 手部機構形式
各種手部的工作原理不同，故其結構形態(tài)各異。鉗爪式手部機構是最常見的形式之一，按其抓取工件的方式有兩種：外卡式和內撐式。從其機械結構特征、外觀與功用來看，有多種形式，且叫法不一，常用的手部機構有如下幾種：
1.拔桿連桿式鉗爪
2.平行連桿式鉗爪
3.齒輪齒條移動式鉗爪
4.重力式鉗爪
5.自鎖式鉗爪
6.自動定心鉗爪
7.抓取不同直徑工件的鉗爪
8.復雜形狀工件用的自動調整是鉗爪
一般鉗爪式手部機構由以下幾部分組成：
2.2.1 手爪
它是直接與工件接觸的構件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。一般情況下，機械手的手部只有兩個手指，少數(shù)是三個或多指。
2.2.2 傳動裝置
它是向手指傳遞運動和動力、以實現(xiàn)夾緊和張開的機構。
2.2.3 驅動裝置
它是向傳遞機構提供動力的裝置。安驅動方式不同，可有液壓、氣壓、電動和機械驅動。
此外，還有連接和支承元件，將上述有關部分連成一個整體。
2.3 前爪式手部機構的選用要點
工業(yè)機械手的手部機構靠鉗爪夾緊工件后便把工件從一個位置移動到另一個位置，由于工件本身的重量以及移動過程中產生的慣性力和振動等，鉗爪必須具有足夠大的夾緊力，以保證工件在移動過程中不致產生松動或脫落。
兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的張開角。手指的張開角應保證工件能順利進入或脫開，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差?。魥A持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求，對于移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的鉗爪形狀來定位。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形。
1.適應工件的形狀：工件的形狀為圓柱形，則采用帶“V”型鉗口的手爪，工件形狀為圓球形則選用二指或三指鉗爪，對于特殊形狀的工件應設計與工件向適應的鉗爪。
2.適應工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸盡可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么鉗爪應能適應尺寸變化的要求，工件表面要求高的，對鉗爪應采取相應的措施，如加軟墊等。
3.適應工作位置的狀況：如工作位置窄小時可用薄片型鉗爪
鉗爪一般專用性較強，在可能的情況下，應考慮到產品零件的更換。為適應不同形狀和尺寸的要求，可將鉗爪制成組合式結構，也可在設計時適當選取其結構尺寸和參數(shù)以擴大其適應范圍。
綜上所述，選用滑槽杠桿式鉗爪。
2.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計算
如圖2-1所示，拉桿2端部安裝著圓柱銷3，當拉桿2向上拉時，圓柱銷就在兩個鉗爪4的滑槽中移動，帶動鉗爪4繞O1與O2兩回轉指點回轉夾緊工件。當拉桿2向下推時，使鉗爪4松開工件。設P為作用在拉桿2上的驅動力，為兩鉗爪的滑槽對圓柱銷的作用力， N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關系如圖2-1所示。
圖2-1 滑槽杠桿式鉗爪
1—手架；2—拉桿；3—圓柱銷；4—鉗爪
根據(jù)圓柱銷的平衡條件可知
cos，則
按照鉗爪的平衡條件 得
，
（式2.1）
式中 a——鉗爪回轉支點（或）到對稱中心線的距離；
b——鉗爪回轉支點到鉗口中心線的距離
從式（2.1）可知，在驅動力P一定的情況下，增大，則夾緊力N也隨之增大，但過大會導致拉桿（即活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大，使手部結構加大，所以一般取=30°～40°為宜。本設計選取30°。
因為鉗爪會在各個方向都抓取工件，所以，在計算當量夾緊力時，以最大夾緊力來計算：
查表得，鋼與鋼的靜摩擦力系數(shù)f=0.1
N=5G=5*30*10=1500（N）
2.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機構的驅動力計算
如圖2.1所示，a=225mm，b=150mm，=30°
又求得N=1500(N)
P=1500(N)
即(N) （2.2）
式中 ——手部機構的機械效率（0.85～0.9）
——安全系數(shù)（1.5～2.0）
——工作情況系數(shù)，主要應考慮慣性力的影響。，a為被抓取工件的最大加速度，本設計取1m/。
最后求得，=2911（N）
2.6 手部夾緊液壓缸的設計與計算
由式（2.2）得，=2911（N）
根據(jù)選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內徑：D=3.57*=61mm
根據(jù)表2.2取D=63mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.3mm
考慮到缸筒外徑上要安裝深溝球滾子軸承，且缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=6mm。則缸筒外徑為
缸筒外徑上攻標準螺紋，=（1-0.85）*75/2=5.625mm<6mm，符合要求.所以，壁厚取6mm。
活塞桿直徑：d=D（為速比，根據(jù)標準取1.46）
= 0.063mm=11mm
根據(jù)表2.2標準取16mm
活塞桿強度校核：=mm，滿足實際設計要求。
導向長度：H≥L/20+D/2=36.5mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標準值100mm）
導向套長度：A=(0.6～1.6)D≈50mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈50mm
考慮到此液壓缸行程較短，所以不用外加導向裝置。
2.7 本章小結
本章主要介紹了沖壓機械手的手部結構設計步驟和主要的設計過程。手部結構在整個機械手的應用過程中起著直接的作用，其與沖壓工件進行直接接觸，所以其強度的設計和外形結構的設計是設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)。通過理論計算和參考資料合理設計其外形結構，以達到設計的要求。
第3章 沖壓機械手的腕部設計
3.1 概述
工業(yè)機械手的腕部是連接手部和手臂的部件，起支承手部的作用，并調整或改變工件的空間方位。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應根據(jù)機械手的工作性能要求來確定。在大多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉和俯仰或擺動。
設計腕部時要注意下列幾點：（1）結構盡量緊湊、重量盡量輕。對于自由度數(shù)較多以及驅動力要求較大的腕部，結構設計矛盾較為突出，因為對于腕部每一個自由度就要相應的配一個驅動件和執(zhí)行件，要使腕部在較小的空間同時容納幾套元件，困難較大。（2）轉動靈活，密封性要好。（3）要適應工作環(huán)境的需要，對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質中工作的工業(yè)機械手，其腕部與手部經常在高溫區(qū)域或者腐蝕介質中停留與操作，直接受到影響，故一定要采取相應的措施。
3.2 腕部回轉力矩的計算
手腕回轉時，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性阻力矩，手腕的轉動軸與支承處的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏置力矩。計算方法如下：
3.2.1 摩擦阻力矩
=(N.m)
式中 ——摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;
,——軸承的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，
—— 軸承直徑 （m）
=0.02/2（2730*0.075*2380*0.02）
=2.52（N.m）
3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩
=Ge（N.m）
式中，G——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到回轉中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，為0。本設計中工件外形比較規(guī)則，且工件尺寸不大，所以，可以考慮為工件中心一直與手腕回轉中心線重合，即為0。
3.2.3 腕部啟動時的慣性阻力矩
當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算：
=（+）（N.m）
式中 ——參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量；
——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量；
-——手腕轉動時的角速度(弧度/s)；
——起動過程所需的時間(s);
當知道手腕回轉啟動過程中轉過的角度時，可用下式計算：
=（+）（N.M）
式中 -——手腕轉動時的角速度(弧度/s)；
——啟動過程中轉過的角度（rad）；
手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算：
M=++（N.M）
本設計中腕部啟動時間設計為0.1s
考慮到摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M=1.1（++）（N.M）
=1.1*（91.58+2.52+0）
=103.5（N.M）
考慮到步進電機的扭矩可能不夠，而且為了減小軸向尺寸，因此使步進電機與液壓缸平行安裝，中間通過一對減速齒輪來增大扭矩。
3.3 本章小結
本章主要介紹了沖壓機械手的腕部結構設計，腕部的功能是通過與手部的連接，直接控制手部的旋轉與直線運動。其在使用的過程中同樣承受力矩的作用，所以在結構設計的過程中同樣應注重理論計算。腕部的剛度和強度是設計沖壓機械手的主要設計環(huán)節(jié)，本章通過理論計算的方式校核了腕部尺寸及其結構設計的合理性。
圖3-1 回轉缸
第4章 工業(yè)機械手臂部的設計
4.1 概述
臂部是沖壓機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。工業(yè)機械手的臂部一般具有2、3個自由度，即伸縮、回轉、俯仰和升降。臂部總重量較大，受力一般較為復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的動、靜載荷，尤其高速運動時，將產生較大的慣性力（或慣性矩），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上，工業(yè)機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)一起安裝在機身上，機身可以是固定式的，也可以帶有行走機構，可沿地面或導軌運動。
臂部的結構形式必須根據(jù)機械手的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油氣缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部機構時一般要注意下述要求：
（1）剛度要大：為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀要合理。工字形截面的彎曲強度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉剛度都比是新軸大。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
（2）導向性要好：為防止手臂在直移運動中，沿運動軸線發(fā)生相對轉動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。
(3) 偏重力矩要?。核^偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉軸所產生的靜力矩。為提高機械手的運動速度，要盡量減小臂部運動部分的重量，以減小偏重力矩和整個臂部對回轉軸的轉動慣量。
（4）運動要平穩(wěn)，定位精度要高：由于臂部運動速度越高，重量越大，慣性力引起的定位錢的沖擊也就越大，運動既不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應盡量減小臂部運動部分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一定形式的緩沖措施。
4.2 沖壓機械手臂部的結構形式
沖壓機械手的臂部結構一般包括臂部伸縮、回轉、俯仰、升降等運動的結構以及與其有關的構件，如傳動機構、驅動裝置、導向定位裝置、支承連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關構件及配管、線等。
4.2.1 沖壓機械手臂部伸縮運動的結構
伸縮運動的結構主要有以下幾種形式：
1.采用倍增機構的臂伸縮結構：這種結構的特點是傳遞效率高，易于實現(xiàn)較大的行程和速度。
2.采用單導向桿的臂伸縮結構：這種結構由于活塞桿、導向桿和檢測棒全部藏在缸體內，結構緊湊、外觀整潔，但增加了缸體厚度，將大幅度增加臂部結構的重量，一般用于小型機械手。
（1）采用大直徑導向管的臂伸縮結構：該結構一根大直徑導向管作伸縮臂。
（2）采用燕尾型導軌的臂伸縮結構：采用這種導軌導向，剛度大、工作平穩(wěn)。
（3）采用雙導向桿的臂伸縮結構：其特點是手里均衡，可用于抓重大、行程較長的場合
（4）采用四根導向柱的臂伸縮結構：其特點是行程長、抓重較大。工件形狀不規(guī)則時，為了防止產生較大的偏重力矩，采用四根導向柱。
本設計的手部伸縮運動的機構采用形式⑤，即雙導向桿結構。如圖4-1
圖4-1 手部伸縮缸
4.2.2 沖壓機械手臂部俯仰運動的結構
沖壓機械手的臂部俯仰運動，一般采用鉸接油氣缸來實現(xiàn)。鉸接油氣缸位于油缸下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳插銷軸等方式連接。如圖4-2所示，臂部的俯仰由鉸接臂部的活塞桿的運動來實現(xiàn)。
4.2.3 沖壓機械手臂部回轉及升降的結構
本設計采用齒條缸式臂回轉結構，如圖4-3所示。這種齒條缸比一般回轉缸有較大的輸出扭矩和較大的回轉角（可大于360°），但結構尺寸一般比較大，所以安裝在升降缸的下部固定在底座上。回轉運動由齒條活塞桿驅動齒輪帶動輸出軸轉動，輸出軸和升降缸缸體連接，帶動缸體轉動，再帶動手臂回轉。升降運動由升降缸活塞桿帶動手臂升降。
圖4-3 手臂
4.2.4 導向裝置
沖壓機械手的手臂伸縮及升降運動機構上設有導向裝置，其目的是：
1.防止移動件在伸縮及升降時產生不必要的轉動，以保證手臂運動方位的準確性。沖壓機械手的手臂伸縮及升降運動機構上設有導向裝置，其目的是：
2.防止移動件在伸縮及升降時產生不必要的轉動，以保證手臂運動方位的準確性。
3.增大移動 部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量變化所引起的變形與位移。
承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。增大移動 部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量變化所引起的變形與位移。
承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
4.3 沖壓機械手臂部運動驅動液壓缸的設計與計算
計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要是慣性力、摩擦力和重力等。
4.3.1 手臂水平伸縮運動驅動液壓缸的計算
1.手臂水平伸縮運動驅動力的計算：
手臂作水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦力及導向桿與支承滑套之間的摩擦力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅動力可按下式計算：
=+（N） （式4-1）
式中 ——各支承處的摩擦阻力
——啟動過程中慣性力，其大小按下式估算：
=（N） （式4-2）
式中 W——手臂伸縮部件的總重量（N）
g——重力加速度（10）
a——啟動過程中平均加速度（）
而 a=（）
——速度變化量。如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度，則這個過程中速度變化量就等于手臂的工作速度。
——啟動過程所用時間。一般為0.01～0.5（s）。本設計中，設計啟動時間為0.1s，工作速度為500mm/s，導向套摩擦系數(shù)為0.1。粗略計算運動部件重量為80Kg。
最后計算得：=0.1*80+800/10*（0.5/0.1）（N）
=480（N）
2.手臂水平伸縮運動驅動液壓缸的設計與計算：
本設計中，此液壓缸安全系數(shù)取1.2。
由式（4.1）得，=480 （N）
P=480*1.2=576 (N)
根據(jù)表2.1和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內徑：D=3.57*=24.63mm
根據(jù)表2.2取D=40mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內徑，mm
- 實驗壓力，取, (Pa)
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.25mm
考慮缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=5mm。則缸筒外徑為
缸筒外徑上攻標準螺紋，=（1-0.85）*50/2=3.75mm<5mm，符合要求.所以，壁厚取5mm。
活塞桿直徑：d=(1/5～1/3)D≈13mm
根據(jù)表2.2標準取14mm
活塞桿強度校核：=mm，滿足實際設計要求。
導向長度：H≥L/20+D/2=45mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標準值500mm）
導向套長度：A=(0.6～1.6)D≈50mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈40mm
4.3.2 手臂垂直升降運動驅動液壓缸的設計與計算
1.手臂垂直升降運動驅動力的計算：
手臂作垂直運動時，除克服摩擦力和慣性力之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力可按下式計算
=+±W（N） （式4-3）
式中 ——各支承處的摩擦阻力
——啟動過程中慣性力，按式（4-2）計算；
W——手臂運動部件的總重量（N）；
±——上升時為正，下降時為負。
粗略計算得運動部件的重量為135 Kg，升降速度250mm/s，啟動時間0.2s。計算得：
=1350/10+1350/10*（0.25/0.2）+1350=1653（N）
2.手臂垂直升降運動驅動液壓缸的設計與計算
在本設計中，此液壓缸的安全系數(shù)為1.1
由（式4.3）得P=1653*1.1=1818 (N)
根據(jù)表2.1和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內徑： D=3.57*=48.23mm
根據(jù)表2.2取D=50mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.6mm
考慮到缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=5mm。
缸筒外徑上攻標準螺紋，=（1-0.85）*60/2=4.5mm<5mm，符合要求.所以，壁厚取5mm。
活塞桿直徑：d=(1/5～1/3)D≈11mm
根據(jù)表2.2標準取12mm
活塞桿強度校核：==3.9mm，滿足實際設計要求。
導向長度：H≥L/20+D/2=50mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標準值500mm）
導向套長度：A=(0.6～1.6)D≈60mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈50mm
4.4 沖壓機械手的液壓緩沖裝置
液壓缸的活塞桿具有一定的質量，在液壓力的驅動下運動時具有很大的動量。在他們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的沖擊和噪聲，沖擊壓力大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個工業(yè)機械手正常工作，使運動平穩(wěn)性及重復定位精度大大降低。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械碰撞。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或缸蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零，避免硬性沖擊。
緩沖裝置的工作原理是當活塞在到達行程終端之前的一段距離內，設法把排油腔內油液的一部分或全部封閉起來，使其通過縫隙（或節(jié)流小口）排出，從而使被封閉的油液產生適當?shù)木彌_壓力，作用在活塞的排油側上，與慣性力想對抗，以達到減速制動的目的。
4.5 本章小結
本章主要介紹了沖壓機械手的伸縮缸和手部機構設計的尺寸綜合，是對沖壓機械手整體結構設計的關鍵環(huán)節(jié)，綜合第二章和第三章的部分設計結構對沖壓機械手整體進行設計。通過理論計算和相關參考資料，合理確定伸縮缸的外形結構尺寸。
結論
本文通過對沖壓機械手的結構設計，通過參考資料和理論計算的方式合理明確設計要求，對沖壓機械手的理論外形結構進行了合理設計，建立里沖壓機械手的模型，分析力沖壓機械手在使用過程中的所受力矩和外形結構，得到了如下結論：
1.通過對沖壓機械手的分拆設計，依次進行主次結構的分別設計，最后確定沖壓機械手的總體設計方案，分步校核得理論設計符合強度應用。
2.完成了沖壓機械手的手部設計工作，通過分別設計手部機構的手爪、腕部和伸縮缸結構設計，對沖壓機械手的理論設計進行初步設計及最終結構的確定。
通過理論計算和參考資料，本次畢業(yè)設計的沖壓機械手符合設計任務書的設計要求，分步校核結果符合材料的強度要求，對實際的設計生產具有理論指導意義。
致謝
本設計是在張寶海老師的悉心指導下完成的，同時也得到了陶福春老師很多的幫助和指導。在這幾個月的設計過程中，兩位老師都給了我耐心的指導。兩位老師淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，認真負責的工作作風，以及對學生無微不至的關心和愛護，令我終身難忘，將會使我終身受益。在此謹向兩位老師致以深深的敬意和忠心的感謝！在本文的設計過程中，也得到了很多同學的幫助和指正，感謝他們給我的大力支持和幫助。
參考文獻
1 徐穎．機械設計手冊3 機械工業(yè)出版社，2008：98~102
2 徐穎．機械設計手冊4 機械工業(yè)出版社，2008：45~82
3 徐穎．機械設計手冊5 機械工業(yè)出版社，2008：52~83
4 張建民. 工業(yè)機器人 .北京理工大學出版社，1986：85~132
5 王 棟.工業(yè)機械手—機械結構上 上海科學技術出版社，1988：54~69
6 丁樹膜. 液壓傳動 機械工業(yè)出版社，1999:：32~58
7 劉力主.機械制圖 高等教育出版社，2005：85~98
8 王德云、朱明臣、李桓權主編. 畢業(yè)設計指導書 青島海洋出版社，1995：32~54
9 王棟梁.機械基礎 中國勞動出版社，2000：36~72
10 黃鶴汀 機械制造技術 機械工業(yè)出版社，1992：48~65
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10 黃鶴汀 機械制造技術 機械工業(yè)出版社，1992：48~65