中文摘要
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的是机械手的工作过程，机械手抓取机构的设计，以及由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键词：机械手；单片机；液压缸；设计；
Abstract
Abstract
Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines.
Is a robot that is described in this article work, design of robot crawling mechanism, as well as by the PLC outputs three pulses, horizontal axis, vertical axis inverter driven, respectively, control the manipulator of the horizontal axis and the vertical axis precise positioning, enabling precise movement of manipulator function. This project intends to develop material handling robot to grab objects in space, flexible, can replace human operation area of high temperatures and dangerous job, andaccording to the work piece changes and movement processes of change at any time at the request of the relevant parameters.
Key Words: Manipulator；PLC；hydro-cylinder；devise；
Ⅱ
目 录
中文摘要 ························································································· Ⅰ 英文摘要 ························································································· Ⅱ 目 录 ························································································· Ⅲ 引 言 ·························································································· 1
第一章．工业机械手的概述 ································································· 2
1.1机械手的发展及现状 ····································································· 2
1.2课题研究的意义 ··········································································· 3
第二章．工业机械手的设计 ································································· 4
2.1设计的目地 ················································································· 4
2.2设计的内容 ················································································· 4
2.3机械手的工作过程 ········································································ 4
2.4抓取机构的设计 ··········································································· 6
2.4.1机械手手部的设计计算 ······························································· 6
2.4.2机械手腕部的设计计算 ······························································ 10
2.4.3机械手臂部设计计算 ································································· 15
2.4.4机械手手臂升降机构设计 ··························································· 19
2.4.5机械手手臂回转机构设计 ··························································· 22
第三章．小结与展望 ·········································································· 26 参考文献 ························································································· 27 致 谢 ························································································· 28
Ⅲ
引 言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。
1
工业机械手的概述
第一章 工业机械手的概述
1.1机械手的发展及现状
［4］机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。
（1）执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如图1.1所示。
图1.1机构简图
① 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹
持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。
② 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。
③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联
系。机械手的立柱通常为固定不动的。
⑤ 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于
机座上，故起支承和联接的作用。
（2）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
（3）控制系统：控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构
2
按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。
工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。
工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。
1.2课题研究的意义
机械手具有以下几方面的性能：
（1） 能准确的抓住方位变化的物体。
（2） 能判断对象的重量。
（3）能自动避开障碍物。
这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。
目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业以及金属加工行业等，都使用了工业机 械手。随着社会生产的进一步发展和科学技术的进步，工业机械手的功能和性能将进一步得到改善和提高，因此，工业机械手的应用领域将越来越广。
3
工业机械手的设计
2.1设计目的 第二章 工业机械手的设计
毕业设计是大学生在完成基础课和专业课等学习之后进行的综合性实践教学环节，总的目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学的理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，并运用所学的理论知识，通过调研，设计一个机电控制方面的课题，收到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：
（1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、实用资料的方法和能力。
（2）通过查阅课程理论知识，运用所学的基础课，专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案，分析具体问题，进行工程设计能力。
2.2设计的内容和要求
设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：
表2.1机械手的技术指标1
动作
伸缩
升降
回转 符号 X Z Φ
自由度
四个 行程范围 400mm 400mm 0-210° 表2.2机械手的技术指标2 定位精度 ±3mm 速度 小于250mm∕s 小于70 mm∕s 小于90°∕s 抓重 200N-300N 控制方式 PLC
手腕运动参数: 回转 φ 行程范围 0—180º 速度 小于90º/s
手指夹持范围：棒料半径40—70mm，棒料长度450—1200mm ，重量30kg
2.3机械手的工作过程
机械手的结构和各部分动作示意图，如图2.1所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工作过程。
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八个作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。
4
为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。
图2.1机械手的结构和各部分动作示意图
1-伸缩液压缸2-夹持器液压缸3-机械手手部4-大梁5-电机
控制方面的要求：为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
(1)手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
(2)单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
(3)单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。
(4)连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态：
正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。
紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。
5
工业机械手的设计
2.4抓取机构设计
2.4.1手部设计计算
2.4.1.1、对手部设计的要求
（1）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，且不损坏棒料的已加工表面。对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。
（2）有足够的开闭范围
本机械手手部的手指有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如 图2.2所示：
图2.2机械手手部图
1-销2-连接杆3-夹持板
（3）力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
（4）手指应有一定的强度和刚度
（5）其它要求
对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两 指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。
2.4.1.2手部力学分析
通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧
6
装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析：
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2
［6］
并指向O点，交F1和F2的延长线于A和B。
由 ∑Fx=0 得F1=F2 ∑Fy=0 得F1=
F
2cosα
''
F1=-F1 由∑M(F)=0 得 F1h=FNb
a2bcos2α
FN 又因为 h= 所以 F=
cosαa
a—手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）
α—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角
由分析可知，当驱动力F一定时，α角增大，则握力FN也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30︒~40︒。
图2.3 滑槽杠杆式手部结构原理图 1——手指 2——销轴 3——杠杆
2.4.1.3夹紧力与驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向与作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。
［7］
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
FN≥K1K2K3G 式中 K1—安全系数，通常1.2~2.0；
7
工业机械手的设计
K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1+重力方向的最大上升加速度，a=
a
,其中a是g
Vmax
，g是重力加速度，g=9.8m/s2。
t响
Vmax——运载时工件最大上升速度；
t响—系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5； K3—方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G—被抓取工件所受重力；
表2.3 驱动力与液压缸工作压力关系图
［1］
作用在活塞上外力F(N) 液压缸工作压力MPa 作用在活塞上外力F(N) 液压缸工作压力MPa
0.8～1 1.5～2.0 2.5～3.0
20000～30000
2.0～4.0 4.0～5.0 5.0～8.0
30000～50000
>50000
设a=40mm,b=80mm,α=30︒,机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力FN，驱动力F和驱动液压缸的尺寸。 （1）设K1=1.6 K2=1+因此 a=
a
设Vmax=70mm/s t响=0.5s g
0.14Vmax0.07
=1.0143 ==0.14m/s2 所以 K2=1+9.8t响0.5
设 K3=0.5
根据以上公式得： FN=1.6⨯1.0143⨯0.5⨯300=243.4N （2）根据驱动力公式得：
F计算
2bcos2α2⨯80⨯cos230
=FN=⨯243.4=730.2N
a40
由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取
η=0.85~0.9。
（3）取 η=0.85
F实际=
F计算
η
=
730.2
=859.06N 即 F驱=859.06N 0.85
（4）确定液压缸的直径D 因为 F实际=
8
π(D2-d2)P
4
选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸工作压力P=0.8~1MPa。 所以 D=
4F实际
=
4⨯859.06
=0.0427m
3.14⨯0.8⨯106⨯(1-0.52)
πP(1-0.52)
根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5⨯50=25mm. 所以手部夹紧液压缸的主要参数为：
表2.4手部夹紧液压缸的主要参数
50mm
25mm
0.8MPa
859.06N
2.4.1.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为120︒,设手抓长为100mm，当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径Rmin=40mm,当张开角为120︒时,根据双支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径Rmax=60mm。 所以机械手的夹持半径为40~60mm。 2.4.1.5 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，并有足够的抓取能力。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），而且也与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
［2］寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。
图2.4手抓夹持误差分析示意图
以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持半径为40~60mm，一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：
9
工业机械手的设计
R平均=
40+60
=50mm 2
手抓长L=100mm， 取V型夹角2θ=120︒ 偏转角β按最佳偏转角确定：
β=cos
-1
R平均Lsinθ
=cos-1
50
=54.7︒
100⨯sin60︒
计算得 R0=Lsinθcosβ=100⨯sin60︒⨯cos54.7︒=50mm 式中 R0—理论平均半径 因为 Rmax>R0>Rmin
∆1=L2+（
Rmax2R
）-2Lmaxcosβ-a2-L2sinβ2-a2 sinθsinθ
60260
)-2⨯cos54.7︒-402-2sin54.72-402 sin60︒sin60︒
=2+(
=0.923
Rmin2Rmin2
∆=L+）-2Lcosβ-a2-L2sinβ2-a22 sinθsinθ =2+(
=0.939
40240
)-2⨯100cos54.7︒-a2-2sin54.72-402
sin60︒sin60︒
所以 ∆=0.939
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。
10
（3）工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
2.4.2.2腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为：
（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构
直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。
（2）用齿条活塞驱动的腕部结构
在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。 （3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构
它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。 （4）机—液结合的腕部结构
此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转180°，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。
2.4.2.3 腕部回转力矩计算
腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力： （1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩 为简化计算，一般取M摩=0.1M总力矩 （2）克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏
M偏=G1e
式中 G1—夹持工件重量(N)；
e—工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)； （3）克服启动惯性所需的力矩M惯
启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间t启，按下式计算： M惯=(J+J工件)
ω
t启
11
中文摘要
机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。机械手的机械结构采用滚珠丝杆、滑杆、等机械器件组成；电气方面有交流电机、变频器、传感器、等电子器件组成。该装置涵盖了可编程控制技术，位置控制技术、检测技术等，是机电一体化的典型代表仪器之一。
本文介绍的是机械手的工作过程，机械手抓取机构的设计，以及由PLC输出三路脉冲，分别驱动横轴、竖轴变频器，控制机械手横轴和竖轴的精确定位，从而实现机械手精确运动的功能。本课题拟开发的物料搬运机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数。 关键词：机械手；单片机；液压缸；设计；
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Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines.
Is a robot that is described in this article work, design of robot crawling mechanism, as well as by the PLC outputs three pulses, horizontal axis, vertical axis inverter driven, respectively, control the manipulator of the horizontal axis and the vertical axis precise positioning, enabling precise movement of manipulator function. This project intends to develop material handling robot to grab objects in space, flexible, can replace human operation area of high temperatures and dangerous job, andaccording to the work piece changes and movement processes of change at any time at the request of the relevant parameters.
Key Words: Manipulator；PLC；hydro-cylinder；devise；
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中文摘要 ························································································· Ⅰ 英文摘要 ························································································· Ⅱ 目 录 ························································································· Ⅲ 引 言 ·························································································· 1
第一章．工业机械手的概述 ································································· 2
1.1机械手的发展及现状 ····································································· 2
1.2课题研究的意义 ··········································································· 3
第二章．工业机械手的设计 ································································· 4
2.1设计的目地 ················································································· 4
2.2设计的内容 ················································································· 4
2.3机械手的工作过程 ········································································ 4
2.4抓取机构的设计 ··········································································· 6
2.4.1机械手手部的设计计算 ······························································· 6
2.4.2机械手腕部的设计计算 ······························································ 10
2.4.3机械手臂部设计计算 ································································· 15
2.4.4机械手手臂升降机构设计 ··························································· 19
2.4.5机械手手臂回转机构设计 ··························································· 22
第三章．小结与展望 ·········································································· 26 参考文献 ························································································· 27 致 谢 ························································································· 28
Ⅲ
引 言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、机械抓手等；电气方面由交流电机、变频器、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
由于时间仓促和个人水平限制，我的设计存在着许多还没来得及解决的问题，希望广大老师、同学能够给予批评指正并予以解决。
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工业机械手的概述
第一章 工业机械手的概述
1.1机械手的发展及现状
［4］机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统组成。
（1）执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构如图1.1所示。
图1.1机构简图
① 手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹
持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。
② 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。
③ 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
④ 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联
系。机械手的立柱通常为固定不动的。
⑤ 机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于
机座上，故起支承和联接的作用。
（2）驱动系统：机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。
（3）控制系统：控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构
2
按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。
工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，已成为现代制造生产系统中的一个重要的组成部分。机械手的迅速发展是由于它具有积极作用正日益为人们所认识：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，机械手受到各先进工业国家的重视，并投入了大量的人力物力加以研究和应用，尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。该技术在我国近几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业企业的重视。但目前使用的机械手的电气控制系统一般采用继电器和开关元件组成的控制系统，不能实现较为复杂的逻辑控制和较多功能控制方式的选择，因而现场使用功能和控制方式单一，不能进行在线管理。
工业生产上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构型式亦各不相同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂、手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地、重复循环地进行工作。
1.2课题研究的意义
机械手具有以下几方面的性能：
（1） 能准确的抓住方位变化的物体。
（2） 能判断对象的重量。
（3）能自动避开障碍物。
这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。
目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业以及金属加工行业等，都使用了工业机 械手。随着社会生产的进一步发展和科学技术的进步，工业机械手的功能和性能将进一步得到改善和提高，因此，工业机械手的应用领域将越来越广。
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工业机械手的设计
2.1设计目的 第二章 工业机械手的设计
毕业设计是大学生在完成基础课和专业课等学习之后进行的综合性实践教学环节，总的目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学的理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，并运用所学的理论知识，通过调研，设计一个机电控制方面的课题，收到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：
（1）通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、实用资料的方法和能力。
（2）通过查阅课程理论知识，运用所学的基础课，专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案，分析具体问题，进行工程设计能力。
2.2设计的内容和要求
设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：
表2.1机械手的技术指标1
动作
伸缩
升降
回转 符号 X Z Φ
自由度
四个 行程范围 400mm 400mm 0-210° 表2.2机械手的技术指标2 定位精度 ±3mm 速度 小于250mm∕s 小于70 mm∕s 小于90°∕s 抓重 200N-300N 控制方式 PLC
手腕运动参数: 回转 φ 行程范围 0—180º 速度 小于90º/s
手指夹持范围：棒料半径40—70mm，棒料长度450—1200mm ，重量30kg
2.3机械手的工作过程
机械手的结构和各部分动作示意图，如图2.1所示。机械手的工作均由电机驱动，它的上升、下降、左移、右移都是有电机驱动螺纹丝杆旋转来完成的。 分析工作过程。
机械手的初始位置停在原点，按下启动后按扭后，机械手将下降——加紧工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八个作，完成一个工作周期。机械手的下降、上升、右移、左移等动作转换，是由相应的限位开关来控制的，而加紧、放松动作的转换是有时间来控制的。
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为了确保安全，机械手右移到位后，必须在右工作台上无工件时才能下降，若上次搬到右工作台上的工件尚未移走，机械手应自动暂停，等待。为此设置了一个光电开关，以检测“无工件”信号。
图2.1机械手的结构和各部分动作示意图
1-伸缩液压缸2-夹持器液压缸3-机械手手部4-大梁5-电机
控制方面的要求：为了满足生产要求，机械手设置了手动工作方式和自动工作方式，而自动工作方式又分为单步、单周期和连续工作方式。
(1)手动工作方式：利用按钮对机械手每一步动作进行控制。例如，按下“下降”按钮，机械手下降；按下“上升”按钮，机械手上升。手动操作可用于调整工作位置和紧急停车后机械手返回原点。
(2)单步工作方式：从原点开始，按照自动工作循环的步序，每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
(3)单周期工作方式：按下启动按钮，机械手按工序自动自动完成一个周期的动作，返回原点后停止。
(4)连续工作方式：按下按钮，机械手从原点，按步序自动反复连续工作，在连续工作方式下设置两种停车状态：
正常停车：在正常工作状态下停车。按下复位按钮，机械手在完成最后一个周期的工作后，返回原点自动停机。
紧急停车：在发生事故或紧急状态时停车。按下紧急停车按钮，机械手停止在当前状态。当故障排除后，需手动回到原点。
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工业机械手的设计
2.4抓取机构设计
2.4.1手部设计计算
2.4.1.1、对手部设计的要求
（1）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，且不损坏棒料的已加工表面。对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。
（2）有足够的开闭范围
本机械手手部的手指有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如 图2.2所示：
图2.2机械手手部图
1-销2-连接杆3-夹持板
（3）力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
（4）手指应有一定的强度和刚度
（5）其它要求
对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两 指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。
2.4.1.2手部力学分析
通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧
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装置采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析：
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2
［6］
并指向O点，交F1和F2的延长线于A和B。
由 ∑Fx=0 得F1=F2 ∑Fy=0 得F1=
F
2cosα
''
F1=-F1 由∑M(F)=0 得 F1h=FNb
a2bcos2α
FN 又因为 h= 所以 F=
cosαa
a—手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）
α—工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角
由分析可知，当驱动力F一定时，α角增大，则握力FN也随之增大，但α角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30︒~40︒。
图2.3 滑槽杠杆式手部结构原理图 1——手指 2——销轴 3——杠杆
2.4.1.3夹紧力与驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向与作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。
［7］
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
FN≥K1K2K3G 式中 K1—安全系数，通常1.2~2.0；
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工业机械手的设计
K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1+重力方向的最大上升加速度，a=
a
,其中a是g
Vmax
，g是重力加速度，g=9.8m/s2。
t响
Vmax——运载时工件最大上升速度；
t响—系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5； K3—方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G—被抓取工件所受重力；
表2.3 驱动力与液压缸工作压力关系图
［1］
作用在活塞上外力F(N) 液压缸工作压力MPa 作用在活塞上外力F(N) 液压缸工作压力MPa
0.8～1 1.5～2.0 2.5～3.0
20000～30000
2.0～4.0 4.0～5.0 5.0～8.0
30000～50000
>50000
设a=40mm,b=80mm,α=30︒,机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力FN，驱动力F和驱动液压缸的尺寸。 （1）设K1=1.6 K2=1+因此 a=
a
设Vmax=70mm/s t响=0.5s g
0.14Vmax0.07
=1.0143 ==0.14m/s2 所以 K2=1+9.8t响0.5
设 K3=0.5
根据以上公式得： FN=1.6⨯1.0143⨯0.5⨯300=243.4N （2）根据驱动力公式得：
F计算
2bcos2α2⨯80⨯cos230
=FN=⨯243.4=730.2N
a40
由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取
η=0.85~0.9。
（3）取 η=0.85
F实际=
F计算
η
=
730.2
=859.06N 即 F驱=859.06N 0.85
（4）确定液压缸的直径D 因为 F实际=
8
π(D2-d2)P
4
选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸工作压力P=0.8~1MPa。 所以 D=
4F实际
=
4⨯859.06
=0.0427m
3.14⨯0.8⨯106⨯(1-0.52)
πP(1-0.52)
根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5⨯50=25mm. 所以手部夹紧液压缸的主要参数为：
表2.4手部夹紧液压缸的主要参数
50mm
25mm
0.8MPa
859.06N
2.4.1.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为120︒,设手抓长为100mm，当手抓没有张开角的时候，根据机构设计，它的最小夹持半径Rmin=40mm,当张开角为120︒时,根据双支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径Rmax=60mm。 所以机械手的夹持半径为40~60mm。 2.4.1.5 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，并有足够的抓取能力。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），而且也与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
［2］寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。
图2.4手抓夹持误差分析示意图
以棒料来分析机械手的夹持误差精度。
机械手的夹持半径为40~60mm，一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：
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工业机械手的设计
R平均=
40+60
=50mm 2
手抓长L=100mm， 取V型夹角2θ=120︒ 偏转角β按最佳偏转角确定：
β=cos
-1
R平均Lsinθ
=cos-1
50
=54.7︒
100⨯sin60︒
计算得 R0=Lsinθcosβ=100⨯sin60︒⨯cos54.7︒=50mm 式中 R0—理论平均半径 因为 Rmax>R0>Rmin
∆1=L2+（
Rmax2R
）-2Lmaxcosβ-a2-L2sinβ2-a2 sinθsinθ
60260
)-2⨯cos54.7︒-402-2sin54.72-402 sin60︒sin60︒
=2+(
=0.923
Rmin2Rmin2
∆=L+）-2Lcosβ-a2-L2sinβ2-a22 sinθsinθ =2+(
=0.939
40240
)-2⨯100cos54.7︒-a2-2sin54.72-402
sin60︒sin60︒
所以 ∆=0.939
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。
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（3）工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
2.4.2.2腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为：
（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构
直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛使用。
（2）用齿条活塞驱动的腕部结构
在要求回转角大于270°的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。 （3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构
它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。 （4）机—液结合的腕部结构
此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转180°，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构。
2.4.2.3 腕部回转力矩计算
腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力： （1）腕部回转支承处的摩擦力矩M摩 为简化计算，一般取M摩=0.1M总力矩 （2）克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏
M偏=G1e
式中 G1—夹持工件重量(N)；
e—工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)； （3）克服启动惯性所需的力矩M惯
启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间t启，按下式计算： M惯=(J+J工件)
ω
t启
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