机械手的总体方案设计

第1章机械手的总体方案设计

1.1 机械手的传动方案设计

按机械手手臂的不同形式及组合情况其活动范围也是不同的，基本上可以分为四种运动形式：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式。根据工作要求可选择直角坐标式，具体设计成悬挂式。其优点为：

（1）多臂悬挂式的机械手对刚性联结的自动生产线非常实用，可以在各工位间传递工件，各臂均悬挂在生产线上方的横梁上，臂间距离和工位距离相等，手臂可同步地沿横梁平移一个工位间距，把工件从一个工位移动到下一个工位，可以减少随行夹具和其他装置，提高自动化程度。

（2）悬挂式机械手占地面积小，能有效的利用空间。 （3）悬挂式机械手结构简单，成本底。

该凸轮轴加工自动线上的送料机械手采用液压驱动，PLC 控制，其中采取液压驱动有以下优点：

（1）压力高，可实现较大的驱动力，且机构可以做的轻小，紧凑。 （2）可实现无级变速，定位精度高，系统固有频率小，压力、容量调节容易。

（3）重量小，惯性小，可以做到快速的变速和换向，控制容易，动作平稳，滞后小。

1.2 主要技术参数的确定

机械手的主要技术参数包括抓重、自由度、定位精度、重复定位精度、工作范围、最大速度及承载能力。

主要参数如下： 抓重： 3kg 自由度： 3个

工作范围： 前后移动：1800mm

上下升降：350mm 横移：50mm

驱动方式：

液压驱动

控制方式： PLC 控制 缓冲方式：

节流回路

1.3 机械手的配置和工作原理

图一 上下料机械手简图

该加工自动线上有五只送料机械手，它们的结构完全相同，均能作前后移动、上下升降和横移运动。（上下料机械手简图如图一）前后移动、升降和横移运动是各自的伸缩油缸带动的，自动线的各工序按照加工顺序（从左向右）依次排列的。如图二所示：

图二 凸轮轴自动线机械手配置图

该送料机械手的动作顺序为：原位——下降（抓料）——向左横移——上升——向后横移——下降——向右横移（放料）——上升——向后横移——原位

第2章 上下料机械手的机械结构设计

2.1 上下料机械手的总体结构

上下料机械手由几个主要组成部分：（1）前后行走机构（带滚轮的三角形支架）；（2）横移油缸及其滚轮机构；（3）升降油缸；（4）手部支撑板；（5）机械

手手部（两个夹持式手部）。

送料机的升降油缸和横移油缸用螺栓联接，横移油缸上带有四个滚轮，它们被支撑在滚道上，滚道通过一个联接板固定安装在前后行走机构上，从而使两部分结合起来。

前后行走机构安装在横梁上，它由6个滚轮和三角形支架，其滚轮安装在悬挂支架横梁的滚道上，使机械手成悬挂式。前后行走机构三角形支架与拉杆用螺纹联接成一体，当机械手工作时由前后移动油缸的活塞杆，通过支架和拉杆（两杆固定联接）从而带动五只送料机械手的前后行走机构，同步的实现各工序间的前后移动，其行程为1800mm. 。

送料机械手的升降和横移运动是由其升降油缸和横移油缸来实现的，以便将工件送到机床的顶尖处，在升降油缸活塞杆的端部固定安装着手部支撑板，支撑板上装有两对齿轮齿条式手部及齿轮齿条式定位手部，从而保证将工件夹紧且定位。

2.2 上下料机械手的手部设计

手部机构是机械手直接用于抓取和握紧（或吸附）或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手前端。

根据所要夹持的工件，选用钳爪式手部，其选用时应考虑：

1. 应具有足够的的夹紧力

机械手的手部机构靠钳爪夹紧工件后便把工件从一个位置移动到另一个位置，由于工件本身的重量以及移动过程中产生的惯性和振动等，钳爪必须有足够大的夹紧力才能防止工件在移动过程中脱落，一般要求夹紧力N 为工件重量的2-3倍。

手部夹紧力的计算：

手指对工件的夹紧力可按公式计算：F N ≥K1K 2K 3G 式中 K 1—安全系数，通常取1.2～2.0；

K 2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。 K 2可近似按下式估算：K 2=1+a/g,a=Vmax/t响

K 3—方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。按表选取

G —被抓取工件所受重力（N ）

这里 K1=1.8

K 2=1+a/g=1+200×10(-3)/9.8×0.1=1.2 K 3=1 G=3×9.8N

∴ FN =1.8×1.2×1×3×9.8N=63.5N

驱动力为F ，由FN=R×F/2b，其中R 为扇形齿轮的半径， 这里

R=18㎜，b=100㎜

则 F=2bFN /R=2×100×63.5/18 N=705.6 N

2. 应具有足够的张开角

钳爪为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，而且夹持工件的中心位置变化要小（即定位误差要小），对于移动式钳爪要有足够大的移动范围。

3. 应能保证工件的可靠定位

为了使钳爪和被夹持的工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取的工件的形状，选用相应的钳爪形状来定位。

4. 应具有足够的强度和刚度

钳爪除受到被夹持工件的反作用外，还受到机器人手部在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，若没有足够的强度和刚度则会发生折断或弯曲变形，因此对于受力较大的钳爪应进行必要的强度和刚度计算。

5. 应适应被抓取对象的要求

适应工作的形状：工件的形状为圆柱形，可采用带“V”型钳口的手爪：工件为圆柱状，可选用圆弧形二指或三指爪，对于特殊形状的工件应设计与工件相适应的手爪。

适应工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸可能是不变的，若加工尺寸略有变化，那么钳爪应能适应尺寸变化的要求。工件表面质量要求高的，对钳爪应采取相应的措施，如加软垫等。

要适应工作位置的状况：如工作位置较窄小可用薄片形钳爪。

6. 尽可能具有一定的通用性

钳爪一般专用性较强，在可能的情况下，应考虑到产品零件的更换，为适应不同形状和尺寸的要求。可将钳爪制成组合式结构，迅速更换不同的钳爪部件及附件来扩大手部机构的使用范围。

由此，根据所夹持的凸轮轴的外形，可初选齿轮传动的回转型手指。其最大特点是结构简单。

因工件较长，故选用双手双指式来夹持工件的两端，其工作原理为：当机械手向下运动时，手指内侧的斜面碰触工件表面而使手指张开，工件进入手指上的圆弧面处，靠电磁阀控制手指的张开和闭和。

手指和工件相接触的部分，我们将之设计为圆弧状，这是由于该机械夹紧手部所要夹持的工件为圆柱形，可使工件与手指接触更为紧密，减小运送过程中的振动，提高可靠性。为了保证凸轮轴的可靠定位，在手部支撑板的中间装有一个定位手部。

2.3 机械手的手臂设计

由于所设计的送料机械手的手部没有回转、俯仰和摆动等运动，所以没有手腕的设计。

1. 手臂的组成和作用

臂部是工业机械手的重要组成部分，其作用是支撑手部和腕部，改变手部在空间的位置，臂部一般与控制系统和驱动系统一起安装在机身上，机身可以是固定式的，也可以是行走式的，即可沿地面或导轨运动。

手臂的组成部分如管路、冷却装置、行程定位装置、油缸、反馈装置等直接影响机械手的工作性能。因此在设计过程中要注意以下几点：

⑴ 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 ① 手臂的的截面形状要选择合理 ② 合理布置作用力的位置和方向

在结构设计时应该结合具体受力情况，使个作用力引起的变形相互抵消。 ③ 注意简化结构

元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽量使结构简单。 ④ 提高配合精度

⑵ 臂部速度要高，惯性要小

应尽量减少手臂的重量，减少手臂运动的轮廓尺寸，减少回转半径。 ⑶ 手臂动作应灵活

为减少手臂运动件之间的云工阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦，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，以防卡死。

2. 手臂的设计计算

⑴升降油缸的驱动力计算 其受力分析如图三：

图三 升降油缸受力图

驱动力

上升时

Pq= F摩+F惯 +F回+ GPq= F摩+F惯 +F回- G

下降时

式中 G — 臂部运动部件的重量(N) 升降油缸手臂重量计算：

工件：3㎏；手部：4㎏；导向杆：1㎏；

活塞杆：1/4×π×D2×h×ρ=1/4×π×202×428×7.8×10-6 =1.1㎏ 缸体：壁厚取δ=8㎜，

2×π×R×h×δ×ρ=2×π×20×360×8×7.8×10-6 =2.8㎏ 油：π×D2×h×ρ=π×402×350×0.8×10-6=1.4㎏

活塞：1/4×π×D2×h×ρ=1/4×π×402×10×7.8×10-6=0.1㎏ 总重量：3+4+1.1+1.4+0.1=9.6㎏

考虑到安全系数，取总重量M 为20㎏，则G=20×9.8=196N

F 惯—

起动的惯性力(N)；可按如下近似计算：

F 惯=

G ⋅∆v g ⋅∆t

式中， ΔV—速度变化量（m/s）, 又ΔV最大为200㎜/s,

Δt—启动过程的时间（s ）, 一般为0.01～0.15；

Δt对于轻载低速部件取小值，对于重载高速部件取大值，由于该机械手臂运动时速度不高，且工作载荷不大，取Δt=0.08s.

∴

F 惯=

1969.80.08

⋅0. 2

N =50N

F 回—油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按

F 回=0.05G计算，

∴ F 回=0.05⨯196N=9.8N

F 摩— 各支承处的摩擦力(N)；

当量摩擦系数μ′=(1.27～1.57)μ

对于静摩擦且无润滑时，铜对青铜：μ=0.1～0.25 钢对铸铁：μ=0.18～0.3，取μ=0.2 则 μ′=(1.27～1.57)×0.2=0.25～0.31 升降导向立柱不自锁，必须 G ＞F 1+F2=2 F1=2 FR1f

由平衡条件：F R1 =FR2 ，G×R= FR2×h 解得：h ＞0.32R

摩擦力为：取h=10㎜，满足不自锁条件，则

F 摩=2F R 1f =

2G R f h

=

2⨯196⨯20⨯0.16

10

N =125.44N

图四 升降油缸受力分析

油缸上升时的驱动力：

Pq= F摩+F惯 +F回+ G=125.44+50+9.8+196=380.24N

油缸下降时的驱动力：

Pq= F摩+F惯 +F回- G=125.44+50+9.8-196=-10.76N

⑵横移油缸的驱动力计算：受力分析如图五。

图五 横移油缸受力分析

其驱动力

Pq= F摩+F封+F惯+F回

式中 F 摩—各支承处的摩擦阻力；

横移油缸手臂重量计算，由前面计算可得总重量为： 总重量：3+4+1.1+1.4+0.1+5=14.6㎏

考虑到安全系数，G 取30㎏，又N=G=30×9.8=294N

∴F 摩= f ⋅N =0.2⨯294N=58.8N F 封—

密封处的摩擦力(N)，这里 F 封= F 封1+F 封2

F 封2分别为活塞杆和缸盖处，式中F 封1，活塞与缸壁处密封装置的摩擦阻力，

其值随密封结构的不同而异。

由于该机械手升降油缸采用O 形密封圈，活塞杆直径为液压缸直径的一半，当油缸工作压力小于10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦力为：

； F 封1+F封2=0.03Pq

F 回—油缸回腔低压油液所造成的阻力，一般背压力较小，可按

F 回=0.05G计算，

∴ F 回=0.05 ⨯294N=14.7N

F 惯—启动过程中的惯性力；

F 惯=

G ⋅∆v g ⋅∆t

=

294⨯0.29.8⨯0.08

N =75N

Pq= F摩+F封+F惯+F回=F 摩+0.03Pq+F惯+F回

10.97

58. 8+75+14. 7

0. 97

∴P q = (F摩+F 惯+F 回) =N =149N

⑶前后移动油缸的驱动力计算

此前后移动油缸是要布置在悬挂支架的横梁上，其活塞杆的端部与一个 拉杆固定连接，又因为四只送料机械手都固定在拉杆上，因此由油缸活塞杆带动四只送料机械手进行前后的同步移动，由于要实现的行程较长（l=1800mm）, 故将油缸设计为双节伸缩缸。受力分析如图五。

驱动力 Pq= F摩+F封+F惯+F回

式中 F 摩—各支承处的摩擦阻力；

横移油缸手臂重量计算，由前面计算可得总重量为：

总重量：3+4+1.1+1.4+0.1+5+5=19.6㎏

考虑到安全系数，G 取40㎏，又N=G=40×9.8=392N

∴F 摩=f⋅N =0.2⨯392N =78.4N F 封=F 封1+F 封2=0.03P q F 惯=G ⋅∆v g ⋅∆t =392⨯0.29. 8⨯0.08N =100N F 回=0.05G =0.05⨯392N =19.5N Pq= F摩+F封+F惯+F回=F 摩+0.03Pq+F惯+F回P q = 1

0.97(F摩+F 惯+F 回) =78. 4+100+19. 6

0. 97N =204.1N

由于带动四个机械手同时运动，则总驱动力为Pq=204.1×4=816.4N

⒊手臂的配置形

机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局，运动要求、操作系统、工作对象的不同，手臂的配置形式也不完全相同。根据工作要求，我们选择悬挂式配置。其种类和优点分别为：

⑴机座式：多为工业机器人所采用，机器上可以装上独立的驱动与控制系统，便于搬运和安放，机座底部也可以安装行走机构，以扩大其活动范围。

⑵立柱式：立柱式机械手的机身为固定立柱，其臂部一般可绕立柱回转，其特点是占地面积小，而工作范围较大，立柱可安装固定在主机之前或其间，有时也可以固定在主机机身上，其结构简单、实用，主要用来为主机上、下料或传送工件。

⑶悬挂式：手臂悬挂在横梁上，这是一种常见的配置形式，其最大的特点是占地面积小，能有效地利用空间，横梁可以是固定的，也可以是行走的，机器或机械手的臂部可安装在厂房原有建筑的柱梁上，也可以从地面上架设，可安装在有关设备上方，也可以安装在悬升梁上。