四川理工学院毕业设计
(7)机械手化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机械手从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机械手操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机械手约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机械手产业，当前我国的机械手生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机械手和特种机械手在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。
5
第2章 机械手总体设计方案
第2章 机械手总体设计方案
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，按坐标形式大致分为以下4种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标型机械手；（4）多关节型机械手。本设计机械手的动作主要包括：手抓张合和三个相互垂直的平移运动（升降、左右和前后），选用直角坐标型机械手。
2.2 机械手的主要部件及运动
本设计机械手主要包含如下4个动作：手抓张合、手臂上下伸缩、手臂左右移动和手臂前后移动。
本设计机械手主要由3大部件和3个液压缸组成：（1）手部 通过弹簧实现手抓的张合。（2）臂部 采用两个相互垂直的直线缸来实现手臂的左右移动和上下伸缩。（3）机身 采用直线缸来实现手臂的前后移动。
2.3 驱动装置的选择
根据动力源的不同，机械手的驱动机构大致可以分为液压、气动、电动和机械驱动四类。由于液压驱动的机械手具有结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便和驱动力大等优点，所以本设计机械手的驱动机构选用液压驱动。
2.4 机械手的技术参数
1、抓重：3Kg(夹持式手部)
2、自由度数：4个（手抓张合、手臂上下、左右和前后移动） 3、坐标形式：直角坐标 4、手臂运动参数
手臂左右行程：50mm 手臂上下行程：350mm 手臂前后行程：1800mm
6
四川理工学院毕业设计
3章 手部、臂部和机身结构设计
3.1 手部结构设计
本文设计的机械手属于专用机械手，根究其所搬运的工件（油泵凸轮轴）属于棒性材料，故采用弹簧夹紧的夹持式手部结构。
3.1.1 手部设计的基本要求
(一)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。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，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，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳[9]。
（五）要求结构紧凑、重量轻、效率高
在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手部的负荷。
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。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹
7
第3章 手部、臂部和机身结构设计
持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
3.1.2 手抓类型及夹紧装置的选择
常用的机械手的手部，按照握持工件的原理，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，不适合本方案。考虑本设计机械手夹取工件的重量为3Kg,且为圆棒型材料，机械手采取夹持式手指。
夹持式机械手按运动方式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，这种手指结构简单适于夹持平板方料，且工件经向尺寸变化不影响其中心的位置，其理论夹持误差为零。但采用此种结构，驱动力需要加在手指移动方向上，会使结构变得复杂且体积庞大，显然是不合适的，因此不选择这种类型。
因为工件较长，故夹紧用手部采用双手双指式手指夹持工件的两端。当机械手向下运动时，手指内侧的斜面碰触工件外表面而使手指张开，工件进入手指上的圆弧面处，靠弹簧的张力将工件夹紧。定位手部的夹紧和松开原理与夹紧用手部的动作原理相同，所不同的，它是利用滚轮架、滚轮使两只手指同时闭合或张开，以保证工件上的第三档凸轮凸起部分保持朝下，靠弹簧的张力使其保持一定位置。本论文所设计的机械手的手部包括：1个定位手部和2个夹紧手部。其结构如下图所示。
图3-1 夹紧手部剖面图
8
四川理工学院毕业设计
图3-2 定位手部剖面图
3.1.3 手部夹紧力的计算
手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式3-1计算：
FN?K1K2K3G （3-1）
其中，K1——安全系数，通常取1.2～2.0；
K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算
K2=1?a/g
其中，a——运载工件时重力方向运动最大加速度；
a?vmax/t响
vmax——运载工件时重力方向的最大上升速度；
t响——系统达到最高速度的时间，一般取0.03s~0.5s； G——重力加速度 g?9.8m/s2；
K3——方位系数 根据手指形状及工件方位按工业机械手设计表2-2选取。 G——被抓取工件重力（N）。
本设计K1取1.8，a?vmax/t响=0.35/0.2=1.75，K2=1?a/g=1+1.75=2.75，K3取1，
9