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1、学士学位论文 摘 要 机械手也被称为自动手。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已渐成为现代机械制造系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科一机械手工程。随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。本文将设计一台四自由度的曲轴搬运上线机械手，目的是为了提高曲轴加工过程中的劳动生产率，实现机械加工的自动化。根据机械手的工作要求和结构特点，进行了机械手的总体设计，确定了机械手的外形尺寸和工作空间，拟定
2、了机械手各关节的总体传动方案。除此之外，本设计的另一重要工作是对UG制图软件的简单学习，利用UG软件进行三维的仿真设计，使其的结构清晰明了。除此之外，还要对本设计进行二维的平面设计，通过制图软件AutoCAD的学习，绘制出相应的总装图以及零件图。最后，本设计对搬运机械手的自身结构进行大胆的创新与设计，其结构的实践性仍需进行改进与研究，因此，对其的研究与创新仍需很大的努力。关键词：机械手；结构；仿真；制图 Abstract Manipulator is also know as automatic manipulator, Modern industrial manipulator is a n
3、ew technology in automatic control field, and has gradually become the modern machinery. Manufacturing is an important component part of the system. The new technology develops very fast. Gradually formed an emerging disciplineGradually formed an emerging discipline. With the development of science
4、and technology, robots are also more and more applications. In the mechanical industry, casting, welding, riveting, punching, pressing, heat treatment, machining, assembly, inspection, painting, electroplating and other type of work has applied the real reason. Other departments, such as light indus
5、try, construction industry, national defense industry also have been used in our work. This paper will design a crankshaft handling online four degrees of freedom manipulator, The purpose is to improve the labor productivity in the process of crankshaft machining，to realize the automation of mechani
6、cal processing. According to the job requirements and structure characteristics of the manipulator, determine the overall dimensions of the manipulator and working space, and determine the overall dimensions of the manipulator and working space.in addition to this.This design is another important jo
7、b of UG graphics software is simple to learn. Using the UG software for 3 d simulation design, make the structure clearly. Through the study of drawing software AutoCAD, draw the corresponding assembly drawing and part drawing. Finally, the design of carrying manipulator itself structure and bold in
8、novation and design. The structure of the practice still need to improve and research, therefore, the research and innovation still needs great efforts.Keywords：manipulator；Structure；The simulation；DrawingV目 录摘 要IAbstractII1 绪 论.11.1 机械手的发展史.11.2 工业机械手的用途.21.3 机械手的发展趋势31.4 机械手的组成41.5 研究机械手的意义52 总体方案
9、的设计以及系统的组成62.1 机械手的整体的效果图62.2 机械手的作用及其组成62.3 液压机械手的功能分析72.3.1 设计时的基本要求72.3.2 对设计的总体任务进行分析72.4 总体方案的确定82.5 机械手运动的分析与论证92.6 机械手的主要参数的确定103 手臂的设计113.1 结构的设计重点113.2 手臂机构的确定133.2.1 手臂的支线伸缩运动143.2.2 导向装置的选取143.2.3 驱动力的计算153.2.4 伸缩液压缸的设计计算153.3 手臂的旋转163.3.1 手臂摆动油缸的结构163.3.2 手臂旋转所需的驱动力矩的计算173.4 手臂的升降、俯仰运动18
10、4 机身的设计及要求205 手指的设计216 手腕的设计236.1 手腕的回转设计236.2 手腕回转所需驱动力矩的计算247 液压缸的设计计算257.1 液压缸内经的计算257.2 液压缸油口的计算277.3 液压缸壁厚的计算287.4 液压缸活塞杆的校核287.4.1 活塞杆的强度校核287.4.2 活塞杆的抗弯稳定性校核297.5 手指部销的强度校核298 主要零件的结构及技术要求318.1 缸体318.2 缸盖318.3 活塞318.4 活塞杆318.5 排气装置328.6 平键的选取329 液压系统的设计339.1 液压系统的工作原理339.2 液压系统图3410 UG的相关建模35
11、结 论37致 谢38参考文献39附 录A40附 录B581 绪 论1.1 机械手的发展史投石车是中国古代人的智慧的体现，早在初秋战国时期人们就对其进行研究与改进，它是模仿人手的扔取物件从而诞生的，甚至能够扔出人们难以举起的高重量物体。三国时期的木流牛马也是如此。随着工业革命的进行，机器在不断的更新换代，有些科学家提出了永动机这一幻想，虽然这一设想被推翻，但是体现了人们对科学的研究与向往。杨利伟登上太空，完成了人们的太空梦，也体现了科学家们对种种能够代替人完成无法完成的动作。上世纪六、七十年代的自动化机器、无人操纵飞行器等等，也是工业机器发展史上的一个大胆的尝试与突破1。最早对机械手进行研究的国
12、家是美国。1958年美国联合控制公司开发出第一台机械手。它的典型结构是：箱体上安有一能够旋转的长臂，前端安装有电磁铁的物件抓放机构，示教型的控制系统。之后4年，该公司又根据之前的方案，进行大胆尝试，从而研制出又一示教再现型机械手，人们称他为万能自动。又在这一年，美国机械制造公司同时研究出一款能够实现灵活搬运的多自由度机械手，这台机械手主要可以实现手臂的旋转、手臂的伸缩以及升降，控制系统也有所改善，加之采用液压驱动，大大提升了机械手的功能，促使人们重视到对其的研究的重要性。 美国万能自动公司通过与当地多所重点大学的配合，研制出又一种新型的机械手，内部装有计算机芯片，通过计算机的控制，从而完成高精
13、度的安装工作，误差甚至可以小到1毫米。 虽然美国是最早研制的机械手，但是有许多国家对其的研究与发展速度要比美国更加迅速，其中发展速度尤为显著的国家是日本。日本的机械手不仅发展迅速，而且当地对其的应用也更为普及。在日本，机械手得到更为普遍的应用，尤其是在汽车行业。为什么日本的机械手发展更为迅速呢？主要是他们意识到了机械手的重要功能，当地政府加大了对其的研究力度，甚至特设许多专门院校对其进行研究与实验，从而大大的提升了机械手的发展速度，对机械手的发展提供了伟大的成就。俄国的机械手发展速度相对缓慢，与其自身原因也有相当大的影响。俄国的机械手从最早以前便是大多数都是从国外引进的，导致他们对机械手的研究
14、不是从零开始，许多人只是知道如何操纵机械手，对其的原理只是略知一二，对有引进机械手的工厂，也要投入大量的人力进行维修。研究工作早起也缺乏理论依据，科学家们才重新开始对其研究，政府也从此加大了研究的力度，从此发展迅速。80年代起，人们日益意识到发展机械手的重要性，各国政府开始投入大量的人力物力着重发展工业机器人，从而使机械手的发展突飞猛进，机械手的功能变的多种多样，工作原理也开始变得五花八门，机械手的新时代从此来临。 之后，机械手通过一些年的研究与发展，逐渐开始实现大众化，越来越多的工厂甚至普通人，开始接触机械手，机械手给人们带来数不胜数的便利，但人们对各种机械手的功能日益尖锐，因此，对机械手的
15、开发与创新从未停止。 机械手的技术要求适应性强，技术要求先进，主要体现在以下几个方面： 第一，性能安全可靠，功能多种多样，精确度非常高；第二，机器人相关的程序研究与发展快，程序种类多、应用范围广；第三，其功能技术等发展迅速，应用在人们日常生活中的各个方面，例如汽车工业，甚至可以小到糕点屋；第四，各种机械手运用到了军事方面，提高了各国的国防实力。1.2 工业机械手的用途当今社会，机械手主要活动在自动化的生产领域中，自动化是机械手的典型体现，人们对机械手研究的同时，也要开始对其的自动化流程开始研究与发展。机械手主要特点之一是，它的工作范围广，可以进行连续工作，但其的加工制造相对困难，因此，人们研制
16、出了专用机床的大批量大规模生产，从而实现了生产的统一化与系统化，可以这么说，机械手的诞生，就是为了配合有序的自动化而生，二者缺一不可。最近这些年，人们对物件的精度要求越来越高，小到手表内部高精度齿轮的生产，有些物件是人无法加工的，因此，许多高精度的机械手诞生了。电子技术也越发的流行起来，它也促进了机械手的发展，计算机的发明，也促进了机械手的更为迅速的发展，使机械手与自动化的配合更为紧密，使二者的联系更为紧密。机械手虽然能够大致的取代人的运动，但它也是有缺点的，它的灵活程度是远不如人手的，它也有自己的优点，它能够减轻工人的劳动强度而自己却不知疲惫，它能够实现举起人手无法举起的大重量物体，因此，机
17、械手收到了各个领域的关注重视，对其的应用也日益的广泛起来，例如：1、可以在危险的场合下进行工作，确保了工人的人身安全。2、可以在高温、低温、污染等恶劣环境下进行工作，改善了工人的工作条件。3、在装配作业中应用广泛，可以用在手表等高精度齿轮的安装与电子设备安装中。4、航天飞船或者潜水艇的开发与安装。5、医学实验方面以及有腐蚀性的物体。1.3 机械手的发展趋势机械手的应用范围比较广，广泛应用于各种大型的工厂当中，其中包括焊接、铸造、冷却、加工等各个领域，不管是性能还是种类，都存在很大的优越性，但人们对机械手的需求逐渐变得更加苛刻，因此，发展机械手也是一门重要的功课。在我国，对机械手的研究范围越发的
18、广泛，其中主要的发展对象有热处理以及搬运，目的是为了改善工人的劳动强度，大大的优化工人所工作的环境，更加人性化、智能化的生产与制造。机械手的发展也越来越面向通用化，许多机械手已经被列入国家保准，但每个工厂的需求不同，因此专用的机械手还是占主导地位，我们需要加大力度，开展对生产机械手的通用化进行研究，并且研制相应的应用程序，才能更好地发挥机械手的功用。对机械手的结构研究也是一门非常重要的科目，例如：人们可以设计手指的夹紧机构，可以使用楔块机构，也可以使用连杆机构等等。这样，通过对不同机械手结构的研究，可以使机械手功能更加的强大，也可以是它的用途更加的多样化。除了这些，对机械手的研究，不能仅仅的局
19、限在这么狭小的范围，我们可以研究更为先进的机械手，可以给机械手安装有记忆功能、甚至可以给机械手安装计算机，使其更加具有人性化，因此，对PLC等程序的研究也不容忽视2。相对我国而言，西方国家对机械手的应用更为广泛。但大多数的机械手只能单一的实现各种动作，不具有一定的反馈能力，使部分零件容易受到磨损，虽然实现了初步的自动化，但还是需要一定的工作人员进行监督，因此，为了实现完全意义上的自动化，还必须研究相应的反馈系统，使机械手更加能够适应外部环境，尤其是在恶劣的环境下工作，使机械手能够感知自身的不适，从而使相应零件的损耗大大降低3。与此同时，机器人顾名思义是模仿人的动作实现要做的运动，未来的机械手更
20、会继续模仿人类来改善，比如说人体的感官，甚至人体的嗅觉、触觉。液压也是近些年开始热门的功课，机械手可以施加以相应的液压缸，这样不仅能够大大提升机械手所需的动力，还可以使其变得更加系统化。简而言之，机械手的发展空间无限大，对机械手的研究和改进不能止步，机械手的功能将在未来变得更为多种多样4。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。触觉功能既在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力感敏元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通过装在手指内侧的压力感敏元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展，机
21、械手的装配作业的能力将进一步提高。1.4 机械手的组成机械手的组成分成三大部分，分别是驱动机构、控制机构与执行机构5。每一机构又可细分为：例如执行机构：手指的夹紧机构、手臂的伸缩机构、手腕的回转机构等等。1.4.1 执行机构手臂的伸缩机构：机械手的手臂伸缩机构通常采用液压缸驱动，大体上分为两类，第一类是关节式手臂，第二类是我关节式手臂，这次课题的选择为无关节式。手臂的要求比较高，像人的手臂，可以前伸，可以后退，可以旋转，也可以上升与下降，本次课题对手臂的要求也是如此，手臂共有3个自由度，分别是：上升与下降、伸缩和后退、回转。手部的夹紧机构：手部也是如此，像人类的手一样，手指也分为一指，二指，甚
22、至多指，手指的个数越多，其形状和功能等越复杂，这次毕业设计本人选用二指式，因为二指式是结构最为简单的典型的夹取形式。手指的牙型可根据需要夹取的物品的形状而特殊制作。只有夹紧一个自由度。手腕的回转机构：本次课题，手腕通常只需要旋转，因此手腕只需要有一个旋转自由度。1.4.2 驱动机构驱动机构的选取，在工厂中存在这许多的差别，可供选取的种类也很多，日常生活中可见到的有马达、电机等，在工厂中可见到的有液压电机-齿轮-链传动，也有油泵-液压缸，还有利用气压来驱动的原件，再高级点得有利用风力等机械能来驱动6。液压驱动是大部分机械主要的驱动方式，这种方式存在相当多的优点：第一，液压驱动可提供的驱动力比较大
23、，可以完成一些高强度的工作。第二，液压驱动可以选用计算机控制，控制简单方便。第三，液压驱动多数采用液压缸，结构紧凑简单，定位尺寸比较精确。因此本次设计选取液压驱动。气压驱动的优点是气源比较广泛，可以从许多渠道提供气压，而且制造的成本比较低。但气压驱动能够提供的动力有限，许多的高强度工作无法用气压驱动实现，而且气压驱动对机器的本身伤害也比较大，容易造成汽蚀。因此，搬运机械手不宜采用气压驱动。1.4.3 控制系统典型的控制系统是PLC控制，这种控制方法简单，自动化程度比较高，只需要定制出相应的PLC程序即可完成相应的控制。PLC控制多用在液压控制上，使系统更加的容易控制7。1.5 研究机械手的意义
24、二十一世纪以来，科技创新的步伐越来越快，机械手在生活实际中的应用了越来越广泛。机械手的使用，小到寻常百姓家的缝纫机，大到飞机宇宙飞船制造厂的搬运机械手，机械手活跃在人们生活中的每一个角落，还有医疗机构的CT、矿井的挖掘等等。在工业生产中，机械手的意义不容小觑：(1)可以在恶劣的条件下进行工作，大大的改善了劳动工人的劳动环境，减少了发生事故时工人所遇到的危险。在一些特殊场合，例如高温、噪声、高空等作业中，机械手的作用更是显著。(2)可以大大的减轻劳动工人的工作强度，甚至可以完成一些普通人无法完成的工作，比如说抓取500Kg的钢管，正常条件下，搬运这么一个钢管需要4人以上，但有了机械手，便可以节省
25、这4人的劳动力，而且机械手不知疲倦，可以重复连贯的进行工作。(3)可以在生产过程中实现更为真正意义上的自动化生产，不需要监护人员24小时不断的监督，只需远程操作几个按钮，便可实现控制，而且动作连贯，不需要停顿，因此也大大的缩短了工作时间，有效的提高了劳动生产率，而且降低了雇佣工人等的资金，降低了生产物品的成本。综上所述，研究机械手是一门非常重要的课题，制造出有效有利、简单方便的的机械手，是未来工业生产的重要指标，研究机械手的意义重大。2 总体方案的设计以及系统的组成2.1 机械手的整体的效果图机械手的效果图如图2.1所示：图2.1 搬运机械手的UG效果图2.2 机械手的作用及其组成机械手的组成
26、及其作用如下：(1)手部：手部主要指的是手指，手指的形状可根据所夹取的物体的形状选定。手部的设计还包括传力机构的设计，通常的手指夹取的传力机构有楔块机构、连杆机构等。输送机构：输送机构通常指的是手臂的伸缩以及手臂的回转还有手腕的回转等定位机构，这些运动，能够使索要搬运的物体实现平移、回转等运动，从而改变物体的相对位置。(2)驱动机构：驱动机构通常指的是动力源，例如压力油所提供的油压、电力等，实现给移动物体提供动力的作用，使其运动。(3)控制系统：控制系统是指用来命令并执行运动件运动的程序，有些控制系统包括反馈系统，可以准确的控制机器相应的位移，程序多是使机器进行自动化工作的，常用的有PLC等。
27、(4)其他：机器剩下的部分也比较多，例如手臂伸缩时需要用到的形成开关、带动手臂转动的箱体等等。其中典型的有箱体，箱体的作用是支撑各个零件使其达到预想的配合。底座，底座的作用是固定机器。传感器，传感器的作用是当物体达到或移动到某一位置时，提供给系统一个信号，使机器停止当前运动或者执行下一运动。有些传感器也具有相应的灵敏性和自控性。2.3 液压机械手的功能分析2.3.1 设计时的基本要求设计这台机械手的目的是为了减轻工人的劳动强度，代替人来完成相应的搬运工作，降低生产的成本，使机器更为自动化的进行生产与搬运，根据相关的生产要求，从而实现代替人类的胳膊来实现简单的运动，它可以搬运人无法举动的物体。设
28、计一台这样的机械手来代替人体的胳膊，通常需要完成如下的几个运动：待抓物体手臂的前伸手指的夹取物体手腕回转实现物体的旋转手臂的抬起手臂的回转移位手臂的下降需要移动到的位置手指松开物体机器的复原重复运动。2.3.2 对设计的总体任务进行分析(1)对运动要求的分析：机械手的结构的复杂程度与多种原因有关，其中自由度对它的影响最为突出，自由度越多的机械手，其自身的运动形式越多，导致需要控制这些运动的零件的复杂程度越高，机器的自身难以程度也因此越高。因此，可以设计几个比较重要的运动，减少机械手自身的自由度，可以大大降低机械手的结构的难易程度。(2)运动行程等参数的确定：任何一台机械手都有着它本身的能够工作
29、的范围，这些范围体现在各个运动的极限位置，也就是机械手的行程。运动行程可根据多种因素确定，其中包括底座的安装位置、工作台的水平高度等等。对手指的形状要求比较高，通过对所要夹取的工件的形状进行分析，以及所要夹取的形状，从而确定手指前伸的行程。(3)动力来源的确定：通过之前的比较分析，液压驱动有着比气压驱动等系统高的优点，通常被机器优先选用，因此，本设计也采用液压驱动。(4)控制系统的选择: PLC的控制系统简单明了，而且PLC的原理图制作比较容易学会，使机器自身的自动化程度也有所提升，因此是本次设计的不二之选。2.4 总体方案的确定搬运机械手的特点一般有以下几点：第一，运动的行程比较精确，定位误
30、差比较小。第二，工作范围比较广，可以有相对比较大的位移。因此，本次设计选取结构相对简单明了的五运动的四自由度的机械手。其运动简图如图 2.2所示：图2.2 运动简图对图中相关自由度的说明：序号1：即箱体的回转运动，主要是延Z轴的回转自由度。序号2：即手臂的升降运动，主要是延Z轴平移的自由度。序号3：序号三包括两个运动一个自由度，分别是手臂的前伸与手指的夹紧，这两个运动的运动方向相同，因此只有一个延X轴的平移自由度。序号4：即手腕的回转运动，主要是延X轴旋转的自由度。2.5 机械手运动的分析与论证2.5.1 各个部位的自由度自由度是比较一个机械手与其他机械手区别的指标之一，也是设计机械手最早期的
31、任务要求，机械手的复杂程度主要与机械手的自由度相关，自由度越多的机械手，其设计的结构便越复杂。在空间中，一个物体最多可以有六个自由度，可以分为三转三移，三转指的是三个旋转自由度，分别是指绕着X、Y、Z轴的旋转自由度，三移指的是三个平移自由度，分别是指沿着X、Y、Z轴的平移自由度。本次设计采用了五运动四自由度的设计，使其结构相对简单明了，运动形式又不单一。具体的相应自由度分配情况如下：(1)箱体的旋转自由度利用摆动油缸来完成。其中动子与缸体通过螺钉固定，利用压力油的压力，使动子的某一段受力转动，从而使通过螺钉连接固定的箱体实现旋转。(2)手臂的升降自由度则是采用伸缩液压缸来完成。液压缸竖直放置，
32、下端通过与箱体的铰接固定上端部与手臂的伸缩液压缸通过活塞杆的铰接连接，位移的大小则通过液压缸内的隔套调整。(3)手臂的伸缩以及手指的夹紧自由度是通过两个伸缩液压缸来实现的。为了增加手臂的强度与刚性，以免手臂在伸缩的同时绕轴线发生转动或产生弹性变形，手臂的伸缩缸筒需另外设置相应的导向装置。本次设计是通过四根相同的导向杆，通过缸筒的连接，从而完成刚度要求的。手指的运动也是由一伸缩液压缸来实现的，手指的上下夹取运动则通过设计相应的连杆机构，改变其运动方向。(4)手腕旋转与箱体的旋转自由度类似，也是通过摆动液压缸从而实现的。当进油腔进入压力油的时候，油的压力推动动子，动子不同的是不是与外壁相连，是通过
33、键槽与转轴相连，压力油推动转子运动，从而使旋转轴发生转动，实现手腕的旋转。2.5.2 动力源的选择由于本次设计的机械手所要夹取的物体的重量比较大，机器完成搬运动作时所需要的力因此比较大，所以，本次设计的驱动方式则选用液压驱动。液压驱动有如下几个比较突出的特点：(1)使用液压作为驱动力，能够提供很大的力，输出一般人无法完成的推力以及转动时所需要的转矩8。(2)使用液压作为驱动力，可以使机械手本身的运动相对平稳，机器的本身(3)液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。(4)液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。本次设计所有驱动为液压驱动。2.6 机械
34、手的主要参数的确定机械手的主要参数要求如表2.1所示:表2.1 主要参数结构形式 多关节式 自由度数目 4运动数目 5所举物体的重量 80Kg所举物体的直径500mm 液压压力 8MPa驱动及控制方式液压驱动、PLC控制机身的回转范围 180腕部的回转范围 90定位方式和定位精度点位控制，1mm3 手臂的设计对一台机械手而言，手臂是其的核心部分，手臂是设计的开始，手臂不仅仅能够起到固定支撑手腕的作用，而且是确定运动的开始所在。有如人的手臂一样，机械手的手臂一般能够实现三个主要运动，即上升与下降、前伸与后退、旋转，这三个运动也是机械手本身的最为主要的运动。手臂的最最重要的作用是把手爪输送到目标位
35、置，还有就是承受手指夹取工件时所需的举重力量，而且还要起到支撑整个手腕部的重量等等，因此，对手臂的要求，不仅仅要有足够的运动精度要求，而且还要拥有足够大的强度以及刚度要求。一般的手臂，只需要满足升降以及伸缩两个自由度，因此，设计的原则大都一致。手臂的种种运动一般使用驱动机构（油缸或气缸）或者各种传动机构从而实现预想的运动要求。研究一个手臂，首先要从它的受力进行分析，它在工作中不仅要直接承受腕部以及手爪和所夹取物体的的动、静载荷，而且自身还需要运动，而且运动形式又比较较多，因此受力相对复杂。所以，手臂的结构、工作范围、灵活度乃至抓取重量的大小以及精度等都直接影响它的强度要求以及工作性能9。3.1
36、 结构的设计重点手臂的设计首先要看手指所需夹取的物体的重量，其次是自身所能提供的自由度数目，接下来需要设计的种种要求，例如（形成范围、运动的速度、所要达到的精度要求等等）。手臂结构的设计是否合理，是否能达到所需的精度，以及能否达到刚度要求对机械手的性能有着非常重要的影响10。因此，在手臂的设计中，要考虑以下几点影响：(1)手臂的设计要有足够的刚度以及强度要求，而且重量要尽量减轻机械手的手臂在通常情况下伸缩范围比较大，如果手臂不具有一定的刚度，或者强度不够，都会使手臂发生弯曲变形，甚至折断，有些机器的强度刚好足够，在长时间的使用下，弯曲形变也会一点点积累，久而久之，发生危险。弯曲变形将影响手臂的
37、定位精度，如果像本设计这样，使用液压缸作为手臂，少许的弹性形变都将引起液压缸的功能的丧失，可使手臂的定位不准，还可以引起活塞活塞杆的灵敏程度。如果变形量过大，还会引起机器本身的震动，不仅影响精度要求，而且加大了危险发生的概率。因此，手臂的设计，在结构上要有足够的刚度要求和强度要求，这样才能保证一定的定位精度，从而达到高效、高质量、高安全的标准。对于机械手的臂部和箱体的承载能力，刚度要求是其主要要求，以机械手的臂部为例，机械手的手臂大多选用的是悬臂梁，为了提高其手臂的刚度，出了要尽可能的减少外伸梁的长度之外，还需要注意以下几点：1）适当的选择各支撑间的距离手臂以及箱体的变形量不仅仅与自身的刚度、
38、强度有关，也与支承件的强度刚度和各支承件之间的长度有关。想要增加各支撑件之间的距离，可以从箱体的形状出发研究，设置合理的箱体的形状，延长支撑点的距离。除此之外，当然还是要选用刚度比较大的材料，材料的选择也是很重要的。2）合理的设计横截面的形状手臂和箱体是相互连接的，在工作中，他们不仅仅会收到弯曲应力，一会承受到一定的扭转力，因此选用抗弯抗扭性能较好的截面也很重要，例如：圆形钢管，其余条件相同，空心和实心的抗扭强度相差不大，这样便可以减轻材料自身的重量，对提高本身的刚度强度也有好处。再如工字钢的惯性矩就会比普通圆形钢的惯性矩大得多得多。而且如果说内部空心，空心部分还可以设计其他机构，有利于机器本
39、身的结构紧凑。3) 在设计一个机器时，如果说所选用的零件越多，就会导致零件间的缝隙越大，如果说存在的缝隙过大，也会明显的降低机器本身的刚度，因此，在设计手臂时，要尽可能的使其结构简单，所使用的零件尽量做到简单紧凑。4) 当一个手臂是水平放置时，不仅仅要选取活塞杆的刚度，导向杆的选取也尤为重要，导向杆的刚度选取也要大，同时导向杆的定位精度要与机器本身所能达到的精度要求一致，让导向杆帮助承受部分机器的自重。5) 合理布置作用力的位置和方向设计手臂的刚度，不仅要从本身出发，也要考虑外界因素，在设计过程中，应想办法使各作用力引起的辨析力互相消除，这样也有利于刚度的提升。6) 选用拥有一定精度的液压缸，
40、以提升手臂伸出时的刚度要求11。(2)设计时应使手臂的速度小、惯性小机械手手臂的运动速度是机械手主最重要的参数之一，它和机械手的加工速度以及成产能力息息相关，通常是依据生产效率的要求来确定，如果说选则了一定的效率，也就确定了其的运行速度。在绝大多数的情况下，手臂的移动、旋转以及升降均要以匀速运动（运动速度V为常数），而在手臂的开始运动和停止运动的前一刻，运动才是随时间变化的，因此，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前速度不能太大，否则将会引起冲击和振动，造成危险。如果说机械手在高速的运行下，其最大移动速度应该设计在1000到1500mm/s之间，最大回转角速度也不宜过大，应设计在180度
41、/秒之内，在工作的平均水平上，平均速度不应大于1000m/s，平均的旋转角速度也不应大于90度/秒。常用的减小冲击的方法有：1）尽量的减轻机器的自身重量，选取高强度低密度的材料。2）减小悬臂梁伸出部分的长度，使手臂未伸出时的重心偏于伸缩方向的另一方向，从而实现减小回转半径，除此之外，还要确定合理的运动顺序，尽量做到在手臂缩回时进行手腕的旋转。3）减小手臂运动件的轮廓尺寸，使其结构更加紧凑。4）应设有相应的缓冲装置。(3)手臂的运动应当灵活为了控制手臂能够满足运动灵活、快速的目的，首先要是机械手的设计结构紧凑，各个零件的连接要有理有据，从而达到结构简单，运动清晰明了的目的。除此之外，还应该减小各
42、运动所需要克服的摩擦阻力，变滑动为滚动，例如设计轴承、导轨等。另外，相对悬臂梁形式的机械手，还应顾及零件位于手臂的相对位置，从而计算出手臂前伸时各个零件的重量对旋转、俯仰、支承点的偏重力矩。偏重力矩对机械手的伸缩运动非常有害。偏重力矩如果太大，就将导致手臂发生剧烈振动，在俯仰的同时还可能会发生一种特殊现象（沉头），这种情况发生将会影响运动的精度与灵活程度，严重时还可能造成手臂与立柱卡死的现象。因此在设计机械手时要尽可能的使手臂重心通过回转中心，从而减少偏重力矩。(4)手臂应具有良好的导向性并且能够定位准确 要使手臂的前伸夹紧工件运动能够稳定的进行，前伸液压缸需设置导向装置，设置导向装置，不仅能
43、达到定位准确的目的，还能够提高机器的自身刚度。3.2 手臂机构的确定手臂的设计包括三个运动三个自由度，分别是手臂的旋转、手臂的俯仰以及手臂的伸缩，各个运动可以单独运动，也可以两两符合运动，如果运动在复杂一些，也可以同时运动，本设计只需要满足单独作用即可。3.2.1 手臂的支线伸缩运动本设计的机械手的直线伸缩运动是选用最最普通的结构所组成，只是加上了导向装置。驱动机构的驱动力油液的压力提供，本设计中的液压缸选用的是双作用活塞缸，这种液压缸是为了实现往复运动中最为常见的驱动机构，这种往复运动的双作用的液压缸的优点是:体积较小，重量也相对比较轻12。3.2.2 导向装置的选取由于手臂伸缩的同时，手臂
44、要承受手腕、手指等零件的自重，单纯的用活塞杆起支撑作用，长时间的工作，将会引起活塞杆的弯曲变形，为了避免手臂的变形导致运动沿轴线发生偏转，使活塞杆避免受到大的弯曲应力的影响，设计的同时，应加取导向装置。根据机械手的自身重量以及所加取的物品的重量，再根据手臂的定位，本设计应该选用四导向杆的导向装置13。结构如图3.1所示。这种四导向杆的结构，能够大大的增加手臂的刚度，四根导向杆承受了机器本身的大部分自重，从而使机械手更加的安全稳固，是运动的精度更加精确。 图3.1 四导向杆手臂伸缩缸的结构3.2.3 驱动力的计算对于普通的单活塞作用的液压缸，两个工作腔的工作的有效面积不相等，因此计算的公式也就不
45、同,见式3.1。F驱=F惯+F摩+F封+F背 (3.1) 式中：F惯手臂在启动过程中的惯性力； F摩摩擦阻力； F封密封装置处的摩擦阻力，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力不同； F背油缸非工作腔压力所造成的阻力，若非工作腔于邮箱或大气相连时，则P被=0。3.2.4 伸缩液压缸的设计计算手臂运动的过程中，要克服两个力，第一个是活塞和活塞杆与缸筒等处的摩擦力，第二个是零件等本身存在的惯性力14。因此，计算的公式如下：=+ （3.2） 式中：一活塞等各处的摩擦力（N）；一机器本身所存在的惯性力（N）。 其中的计算可用下式进行估算： =Ma （3.3） 式中：M一手臂伸缩部件的总质量（Kg）；a一机械手前伸时的加速度(m/s2)。对于加速度的计算可