工业机器人机械手毕业设计论文[管理资料]

毕业设计(论文)

工业机器人机械手设计

所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师

年 月 日

诚 信 承 诺

我谨在此承诺：本人所写的毕业论文《工业机器人机械手设计》均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。

承诺人（签名）：

年 月

日摘 要

本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定

了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。

关键词：工业机械手，机械手，气动

Abstract

In this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, respectively, the design of the manipulator clamping type hand structure and adsorption type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; the design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm, a lifting hydraulic buffer and the arm rotary hydraulic buffer.

Key Words: industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive

目 录

摘 要 ...................................................................................................................................... III Abstract..................................................................................................................................... IV 目 录 ....................................................................................................................................... V 第1章 引 言 ............................................................................................................................ 7

工业机械手概述 .............................................................................................................. 7 工业机器人机械手的课题设计要求 .............................................................................. 8 机械手的系统工作原理及组成 .................................................................................... 13 第2章 机械手的整体设计方案 ............................................................................................ 8

机械手的手部结构方案设计 ........................................................................................ 10 机械手的手腕结构方案设计 ........................................................................................ 11 机械手的手臂结构方案设计 ........................................................................................ 11 机械手的驱动方案设计 ................................................................................................ 11 机械手的控制方案设计 ................................................................................................ 11 机械手的主要技术参数 ................................................................................................ 11 第3章 手部结构设计 .......................................................................................................... 15

夹持式手部结构 ............................................................................................................ 15

.................................................................................................................................. 15 .................................................................................................................................. 15 .................................................................................................................................. 16

第4章 手腕结构设计 .......................................................................................................... 20

手腕的自由度 ................................................................................................................ 20 手腕的驱动力矩的计算 ................................................................................................ 20

.................................................................................................................................. 20 .................................................................................................................................. 23 手腕回转缸的尺寸及其校核 ................................................................................ 24

第5章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 .................................................. 27

手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 ................................................................................ 27

手臂伸缩气缸的尺寸设计 .................................................................................... 27

尺寸校核 ................................................................................................................ 27 导向装置 ................................................................................................................ 28 平衡装置 ................................................................................................................ 28 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 ................................................................................ 28

尺寸设计 ................................................................................................................ 28 尺寸校核 ................................................................................................................ 28 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 ................................................................................ 29

尺寸设计 ................................................................................................................ 29 尺寸校核 ................................................................................................................ 29

总结 .......................................................................................................................................... 31 参考文献 .................................................................................................................................. 32 致 谢 ........................................................................................................................................ 33

第1章 引 言

工业机械人概述

随着科技的发展人类的生活也向自动化靠拢，作为自动化中不可缺少的机器人渐渐地融入我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一部分。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

在自动化生产领域中，工业机械人是近几十年发展起来的，而工业机器人的各个部件也随之发展。工业机械臂的是从工业机器人中分支出来的。

其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。

气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

气动技术有以下优点:

(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.

(2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

(3)动作迅速，反应灵敏。。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。

(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，

气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对工业机器人机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

工业机器人机械手的课题设计要求

工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的自动化的水平，目前工业机器人主要承担焊接、喷涂、搬运等重复性及强度较大的工作。本文主要设计一个多自由度的工业机器人的机械手，用于给设备运送物料。首先要选择并设计机械手的外观结构，选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上应设计机器人的控制系统，加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。（建模可采用pro/e或者solidworks，要出装配图纸）。着重培养学生的能力是：

1）掌握机械人结构设计的基本规律及方法； 2）学生熟练掌握AutoCAD绘图软件的使用； 3）熟悉三维建模软件的建模及CAE软件的分析功能； 4）学习机器手的相关知识，分析机械手的运动规划路径； 5）掌握机械手的控制相关理论。

第2章 机械手的整体设计方案

对工业机器人机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计工业机器人机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件

的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场合。

图2-1机械手的整体机械结构 机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。（如图2-2所示）

图2-2 机械手的运动示意图

机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

机械手的手腕结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

机械手的驱动方案设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

机械手的主要技术参数

一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤。

二.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。（如图2-3所示）而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为1.0m/s。最大回转速度

设计为90/s。平均移动速度为0.8m/s。平均回转速度为60/s。机械手动作时有启动、

停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速

度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为1mm。

三. 用途:

用于自动输送线的上下料。 四．设计技术参数:

1、抓重 5kg 2、自由度数 4个自由度 3、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 1400mm 5、手臂最大中心高 1250mm 6、手臂运动参数

伸缩行程1200mm 伸缩速度400mm/s 升降行程120mm 升降速度250mm/s

 回转范围0180  回转速度90/s 7、手腕运动参数 回转范围 0180  回转速度90/s

8、手指夹持范围 棒料:80mm150mm 9、定位方式 行程开关或可调机械挡块等 10、定位精度 1mm 11、驱动方式 气压传动

12、控制方式 点位程序控制(采用PLC)

图2-3机械手的工作范围

机械手的系统工作原理及组成

机械手的系统工作原理框图如图1-1所示。

执行机构 驱动系统 （气压传动） 位置检测装置 控制系统 （PLC） 手部

手腕手臂立柱图1-1机械手的系统工作原理框图

机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检

测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用气压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.

(一)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。 1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、机座

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，故起支撑和连接的作用。

第3章 手部结构设计

夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

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。回转型手指开闭角较小，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。

(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。

(五)考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点，指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

1、手部驱动力计算

本课题工业机器人机械手的手部结构如图3-1所示：

图3-1齿轮齿条式手部

其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2120，b120mmR24mm,摩擦系数为f0.10

(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

两

p2bRN

(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

N0.5tg()

0.55tg(60542')25(N) 所以

p2bRN245(N)

(3)实际驱动力:

p实际pK1K2

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取0.94，并取K11.5。若被抓取工件的最大加速度取a3g时，则:

p实际245K21a4g

所以

1.541563(N)0.94

所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。 2、气缸的直径

本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

F1D2P4FtFz

式中: F1 - 活塞杆上的推力，N

Ft - 弹簧反作用力，N Fz- 气缸工作时的总阻力，N

P- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

FtGf(1s)

GfGd134D1n

Gd143Gf =8D1n 式中:

Gf- 弹簧刚度，N/m

1- 弹簧预压缩量，m

s- 活塞行程，m

d1- 弹簧钢丝直径，m

D1- 弹簧平均直径，.

n- 弹簧有效圈数.

G- 弹簧材料剪切模量，一般取G79.4109Pa

在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

F1D2p4Ft

由以上分析得单向作用气缸的直径:

D4(F1Ft)p

4代入有关数据，可得

79.4109(3.5103)Gf8D13n8(30103)315

.46(N/m) 3677FtGf(1s)

Gd143677.4660103220.6(N) 所以:D4(F1Ft)pn4(490220.6)0.5106

65.23(mm)

查有关手册圆整，得D65mm

由d/D0.20.3,可得活塞杆直径:d(0.20.3)D1319.5mm

2圆整后，取活塞杆直径d18mm校核，按公式F1/(/4d)[] 0.5有:d(4F1/[])

其中，[]120MPa，F1750N

0.5d(4490/120)则:

2.2818

满足实际设计要求。 3、缸筒壁厚的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

DPp/2[]

式中:6- 缸筒壁厚，mm

D- 气缸内径，mm

Pp- 实验压力，取

Pp1.5P, Pa

材料为:ZL3,[]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

DPp/2[]

656105/(23106)6.5(mm)

取7.5mm，则缸筒外径为:D1657.5280(mm)

第4章 手腕结构设计

手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360，并且要求严格的密封。

手腕的驱动力矩的计算

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、。



图4-1手碗回转时受力状态

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱M惯M偏M摩M封

式中: M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩(Ncm);

M惯M偏- 惯性力矩(Ncm);

- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线

所产生的偏重力矩(Ncm).

M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩(Ncm);

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为

t，则:

M惯（JJ1）(N.cm)t



2(N.cm.s); J式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

J1JcG12ge1

2式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s):

G1- 工件的重量(N);

e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 手腕转动时的角速度(弧度/s);

t- 起动过程所需的时间(s);

— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏G1e1G3e3Ncm + () 式中: G3- 手腕转动件的重量(N);

e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm) 当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e10. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封f(RdRBd1)2A2(Ncm)

式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);

f- 摩擦系数，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f0.1;

RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 0,得: AF）根据M（RBlG3l3G2l2G1l

G1l1G2l2G3l3RBl

同理，根据MB(F)0,得:

RAG1(ll1)G2(ll2)G3(ll3)l

式中:G2- 的重量(N)

l,l1,l2,l3,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

222Mpb(Rr)pMb(R2r2) 或 2

手腕回转缸的尺寸及其校核

气缸长度设计为b100mm,气缸内径为D1=96mm,半径R48mm,轴径

D226mmD2=26mm,半径R13mm,气缸运行角速度=90/s，加速度时间t=, 压强P0.4MPa,

则力矩：

pb(R2r2)M2

0.41060.1(0.04820.0262)2 32.6(N.m)

（1）测定参与手腕转动的部件的质量

m110kg,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径r50mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J2 100.0522

0.0125（kg.m）

工件的质量为5kg,质量分布于长l100mm的棒料上，那么转动惯量：

ml2Jc1250.12120.0042(kg.m2)

2 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l100mm的棒料来说，最大偏心距

e150mm，其转动惯量为:

JJcm1e120.004250.0520.0167(kg.m2)

M惯

(JJ1)t

(0.01250.0167)900.1 26.3(N.m)

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

与转动轴线重合，e10，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e350mm,则：

M偏G1e1 +G3e3

101005100.05 2.5(N.m)

（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f0.01，对于滑动轴承f=，d1 ，d2为手腕转动轴的轴颈直径，d130mm, d220mm, RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA300N,RB150N,

M摩f(RAd2RBd1)2

0.01(3000.021500.03) 2

0.05(N.m)

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍，

M封3M摩 30.05

0.15(N.m)



26.32.50.050.15 29(N.m)

M驱M惯M偏M摩M封〈M M驱

设计尺寸符合使用要求，安全。

第5章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核

手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 手臂伸缩气缸的尺寸设计

手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页：

. 尺寸校核

1. 在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=,设计使用压强P0.4MPa, 则驱动力：

2 FPR

0.41063.140.03152(N) 1246

2．测定手腕质量为50kg,设计加速度a10(m/s)，则惯性力： F1ma

5010 500(N)

，设定摩擦系数k0.2,

Fmk.F1

0.2500 100(N)

 总受力F0F1Fm

500100 600(N) F0F

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。

导向装置

气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。

导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 平衡装置

在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接*衡。

手臂升降气缸的尺寸设计与校核 尺寸设计

气缸运行长度设计为l=118mm,气缸内径为D1=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间t=,压强p=,则驱动力：

G0p.R2``

62 0.4103.140.055 3799(N)

尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力：

Gmg

8010 800(N)

2．设计加速度a5(m/s)，则惯性力：

G1ma

805 400(N)

，设定一摩擦系数k0.1，

Gmk.G1

0.1400 40(N)  总受力

GqGG1Gm

80040040(N) 1240

GqG0

所以设计尺寸符合实际使用要求。

手臂回转气缸的尺寸设计与校核 尺寸设计

气缸长度设计为b120mm,气缸内径为D1210mm,半径R=105mm,轴径

D240mm半径R20mm,气缸运行角速度=90/s，t,压强P0.4MPa,

pb(R2r2)M2 则力矩：

0.41060.12(0.10520.0202)2 255(N.m)

尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量

m1120kg,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径r200mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J2

1200.1022

0.6（kg.m）

M惯J.2t

900.5 108(N.m)

0.6考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k0.2,

0.21084N.m） 5.（ 总驱动力矩：

M摩k.M惯M驱M惯M摩

1085.44N.m） 113.（

〈M M驱

 设计尺寸满足使用要求。

总结

1、本次设计的是工业机器人机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

2、采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。

3、通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

参考文献

[1]，2001, 4

[2]金茂青，曲忠萍， ，2001 [3](工业机器人机械手)，1999, 5 [4]严学高，:东南大学出版社，1992 [5]:机械工业出版社，1986 [6]黄锡恺，:人民教育出版社，1981 [7]:化学工业出版社

[8]:北京理工大学出版社，1988

[9]《机器人学导论》（第三版） （(美)克来格主编）[M] [10]《机器人机构学的数学基础》 （于靖军主编） [M] [11]《机器人学—运动学、动力学与控制》 （宋伟刚主编）[M] [12]《机械设计》（第七版） （濮良贵等编著） [M]

[13]《SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计》 （张晋西，郭学琴主编）[M] [14] 《中文版Solidworks2011从入门到精通》 （赵罘等主编）[M]

致 谢

在这次课题研究过程中，我得到了许多人的帮助，他们的热心，激情，耐心让我感动不已，我从他们身上学到了许多高贵的品质。

首先我要感谢我的指导老师XX老师，在做毕业设计中，有一段时间，我的思路很混乱，找不到切入点，不知道该怎么继续下去了。正当我心灰意冷的时候，XX老师鼓励了我，并耐心的给我分析课题，讲解研究方法，做出专业性的指导。终于帮助我顺利的完成了毕业设计。XX老师的兢兢业业的工作态度，一丝不苟的治学精神，温文尔雅的教育方法给我留下了难以磨灭的印象，也使我受益匪浅。我要由衷的对曲老师说一声“谢谢您，曲老师！”

然后我还要感谢和我同组一起做毕业设计的同学。在整个毕业设计中，我们相互协作，相互帮助，相互鼓励，相互讨论，相互解决了不少难题。每次我有疑问找他们帮忙，他们都耐心的指导，并且总是很细心的给我讲解，直到我明白了为止。我对CAD这个软件的运用不是很熟练，经过这段时间的毕业设计，使我从一个CAD菜鸟迅速成长为一个CAD高手。在这次毕业设计过程中，也培养了我的耐心和细心。本课题是和实际生产连接密切的一个课题，把四年来所学各种知识，结合在一起，巩固了理论知识，也更好的把理论与实际相结合。为日后踏上工作岗位打好坚实的基础。

还有许多同学在毕业设计过程中给我提供了许多帮助，他们给我提供了许多资料，建议和帮助。使我在大学最后的日子里深深体会到了同学间的手足之情。在这里也表示对他们的感谢。

最后感谢评审老师能够在百忙中审查我们的论文，对我们论文提出指导建议。祝你们工作顺利，心想事成！