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摘 要
工業(yè)機械手在目前的工業(yè)趨勢下，勢必會變得越來越受重用。它既擁有著傳統(tǒng)機械的作用，也可以通過系統(tǒng)的指令來完成規(guī)定的動作。由于工業(yè)機械手與人不同，它不需要休息，在適當?shù)木S護保養(yǎng)下可以長時間的工作，十分高效，在工業(yè)過程中展現(xiàn)出強大的生命力。機械手技術包含了軟件技術，機械工程，人工智能等多個領域的技術。其應用狀況，是一個國家工業(yè)自動化的標志。隨著當下工業(yè)自動化的發(fā)展與需求，由此可見，機械手將在工業(yè)中扮演著更加重要的角色。
為了解決抓取圓形坯料并將其運輸?shù)搅⑹骄憴C上，設計了立式精鍛機自動上料機械手。本文首先簡單介紹了機械手的理論意義以及應用價值，表述了機械手的4個自由度和整體坐標形式。在給定了關鍵參數(shù)后，然后再對機械手的整體各結構和機械手結構內(nèi)的部分重要零件進行詳細的分析和選取，并進行一定的載荷的校核。其中選取了圓柱坐標作為其坐標形式，手爪部分選用了雙支點回轉結構作為夾緊部分；手腕部分采取了回轉油缸，以液壓驅動的方式進行驅動；手臂部分采取了相同的液壓缸結構。并對液壓系統(tǒng)進行了一定的分析。
其次，在選取完大致的結構之后，本文也詳細介紹了機械手的設計理論和計算方法。詳盡的討論了機械手手爪部、機械手手腕部、機械手手臂升降、伸縮、回轉機構的相關計算來確保機械手能夠可靠的抓取坯料。
最后，通過Solidworks對機械手整體進行三維建模。
關鍵詞：機械手，液壓傳動，Solidworks三維建模，立式精鍛機
ABSTRACT
Industrial robots will become more and more popular in the current industrial trend. It not only has the function of traditional machinery, but also can complete the prescribed actions through systematic instructions. Because industrial manipulator is different from people, it does not need rest. It can work for a long time with the proper maintenance. It is very efficient and shows great vitality in the process of industry. Manipulator technology includes software technology, mechanical engineering, artificial intelligence and other fields of technology. Its application status is the symbol of a country's industrial automation. With the development and demand of industrial automation, manipulator will act a more important role in industry.
In order to solve the grabing round billet and transport it to the vertical precision forging machine.The vertical precision forging machine with automatic feeding manipulator is designed. This paper firstly introduces the theoretical significance and application value of manipulator, and describes the four degrees of freedom and overall coordinate form of manipulator. After the key parameters are given, the whole structure of the manipulator and some important parts in the structure of the manipulator are analyzed and selected in detail, and a certain load check is carried out. The cylindrical coordinate is selected as its coordinate form, and the double pivot structure is used as the clamping part. The wrist part adopts the rotary oil cylinder, which is driven by the hydraulic drive; The arm part adopts the same hydraulic cylinder structure. And the hydraulic system is analyzed.
Secondly, after selecting the general structure, the design theory and calculation method of manipulator are introduced in detail. This paper discusses the calculation of manipulator arm, wrist, arm lifting, stretching and rotating mechanism to ensure the reliable grasping of the blank.
Finally, three-dimensional modeling of the manipulator is carried out through Solidworks.
Key words：Machine Manipulator，Hydraulic transmission, Solidworks 3D modeling,Vertical precision forging machine
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 機械手方案的選擇 3
2.1 機械手坐標形式的確定 3
2.2 機械手的主要部件及運動 3
2.3 驅動機構的選擇 4
2.4 機械手參數(shù)的確定 4
2.5 本章小結 4
3 機械手手部方案的確定與設計 5
3.1 手部結構分類 5
3.2 夾鉗式手部設計的要求 5
3.3 機械手手部的設計 6
3.3.1 手部夾緊裝置 6
3.3.2 手爪的力學分析 6
3.3.3 夾緊力及驅動力的計算 7
3.4 夾緊缸尺寸計算 9
3.5 螺栓尺寸的選定 10
3.5.1 手指部螺栓的分析與計算 10
3.5.2 手架部分螺栓的分析與計算 11
3.6 手部拉緊軸的分析 11
3.6.1 軸的載荷分析和計算 11
3.6.2軸的材料的選擇 12
3.7 銷連接的設計 12
3.8 本章小結 12
4 機械手手腕結構設計 13
4.1 腕部設計所需滿足的要求 13
4.2 腕部結構的選擇 13
4.3 腕部的設計計算 13
4.3.1 腕部參數(shù)的設定 14
4.3.2 腕部驅動條件的確定 14
4.4 腕部零件的設計 16
4.4.1 腕部軸承的設計 16
4.4.2腕部鍵的設計 16
4.5 本章小結 17
5 機械手手臂方案的確定與設計 18
5.1 滿足手臂運動的要求 18
5.2 機構的選擇 18
5.3 手臂的設計計算 18
5.3.1 系統(tǒng)摩擦力的計算 19
5.3.2 手臂密封裝置阻力的分析與計算 19
5.3.3 慣性力的計算 19
5.4 液壓缸壓力和結構的分析 20
5.5 手臂部分螺栓的設計 21
5.6 手臂部分的裝配以及技術要求 21
5.7 本章小結 21
6 機械手機身結構設計 22
6.1 機身整體構思 22
6.2 機身回轉機構的分析與計算 22
6.2.1 液壓缸驅動力矩的計算 22
6.2.2 回轉缸尺寸的選定 24
6.3 機身升降機構的計算 24
6.3.1 手臂偏重力矩的計算 24
6.3.2 手臂升降不自鎖條件分析計算 25
6.3.3 手臂升降時驅動力的計算 25
6.3.4 液壓缸尺寸的初步確定 26
6.4 回轉液壓缸結構確定 27
6.4.1 定位桿的受力分析 27
6.4.2 定位缸的設計計算 27
6.5 齒輪的計算 28
6.6 連接件的設計 29
6.6.1 回轉定位油缸鍵的選取 29
6.6.2 回轉定位油缸銷的選取 29
6.7 本章小結 29
7 機械手零部件三維建模 30
7.1 SolidWorks軟件的背景及特點 30
7.2 機械手的三維建模 30
7.3 本章小結 32
8 經(jīng)濟性與環(huán)保性分析 33
8.1盡量使用環(huán)保無污染材料 33
8.2系統(tǒng)高效節(jié)能設計 33
8.3本章小結 33
9 液壓系統(tǒng) 34
10結論與展望 36
參考文獻 37
附錄一 外文譯文 38
附錄二 外文原文 48
致謝 54
VII
1 緒論
1.1前言
機械手能夠大致實現(xiàn)與人類手臂相似的動作，它可以在空間內(nèi)進行物體的抓放，移動，回轉等功能，同時也可以進行其它操作的機械部件。機械手可以仿真人手的部分動作，根據(jù)已輸入的語言或程序，來實現(xiàn)完全自動化的動作，如回轉，升降，移動，抓取工件等。在工業(yè)中被廣泛所應用的機械手稱為工業(yè)機械手。它能夠更有效地完成較多的復雜高強度的人類無法完全勝任的工作。因此，機械手被廣泛地應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[1]。近年來，隨著工業(yè)4.0的提出以及我國經(jīng)濟的發(fā)展，中國工業(yè)轉型在中國轉變經(jīng)濟增長模式的過程中扮演著重要角色，所以國家的工業(yè)也需要通過飛速的發(fā)展與完善。機械手作為機械生產(chǎn)中及其重要的一種工具，對其技術的不斷突破以及更新也變得越來越重要。[2]隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，機械手在機械制造、冶金等部門中十分重要，特別是在高溫度、高壓力、易燃易爆以及放射性等惡劣不利人類工作的環(huán)境中來代替人類無法完全勝任的工作。因此機械手在如今的時代下?lián)碛惺謴V泛的空間以及極為有利的前景。
1.2工業(yè)機械手的發(fā)展動態(tài)和趨勢
目前工業(yè)機械手在國內(nèi)主要是發(fā)展鑄造、熱處理工藝的工業(yè)機械手，來改善工作強度以及條件；而在國外的機械工業(yè)中，工業(yè)機械手被廣泛的使用。例如進行點焊作業(yè)的點焊機械手，進行噴涂作用的噴漆機器人等。與我國機械手的不同之處在于，國外的機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有智能反饋系統(tǒng)的智能機械手，使它們能夠具有一定的傳感能力[3]，并根據(jù)外界條件的變化進行反饋作用，同時作相應的變更，使得機械手能夠進行更加精確的反饋動作，并根據(jù)反饋進行適當?shù)南乱徊降南鄳獎幼鳌?
根據(jù)目前工業(yè)機械手的發(fā)展趨勢，人類也要對發(fā)展中的工業(yè)機械手的應用與發(fā)展提出以下五點更高的要求：
一、重復高精度。由于時代的發(fā)展，以后機械手會使用的越來越普遍，也會越來越廣泛。因此，對機械手的精度就提出了一定的要求，需要在多次使用時保證定位的精確性[4]。
二、機械手的模塊化。模塊化的機械手相比于一般的導向驅動機械手更加容易操作，也更加靈活。根據(jù)模塊的不同可以使得已經(jīng)模塊化的機械手由于它們所擁有的模塊功能不同，便會使機械手擁有不同的多樣的功能。這就令機械手的應用范圍增大了很多，提高了機械手的多樣性[4]。
三、無給油化。無給油化是新提出的一個環(huán)保概念，這是為了達成食品、醫(yī)藥、生物工程等特殊行業(yè)的無污染要求。隨著現(xiàn)代材料科學的發(fā)展，新型環(huán)保無潤滑材料的出現(xiàn)，構造特殊，不僅節(jié)省潤滑油脂且不污染環(huán)境，系統(tǒng)簡便、性能穩(wěn)定、成本較低、壽命可靠[4]。
四、機電一體化。機電一體化的核心思想在于機械裝置與電子技術相結合的自適應控制氣動元件，使得機械手內(nèi)的系統(tǒng)由簡單的“開關控制”進化到高度的“反饋控制”，很大程度上提高了機電系統(tǒng)的可靠性[4]。
五、環(huán)保經(jīng)濟化。在當今時代的發(fā)展下，環(huán)保無污染已成為機械設計的趨勢，所以設計的機械手為了節(jié)能減排應該令結構盡量的輕盈緊湊，必要時可利用二次能源或是環(huán)?？山到鉄o污染的材料進行設計。
1.3本章小結
本章簡要的介紹了機械手在當下的重要性、機械手的作用以及在國內(nèi)外機械手的發(fā)展動態(tài)以及在當今時代下的發(fā)展趨勢，同時簡單陳述了本文的研究內(nèi)容和方向。
2 機械手方案的選擇
本章節(jié)介紹了機械手的坐標以及參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)選擇總體方案的介紹，并列出主要性能參數(shù)和部件的基本數(shù)據(jù)。
2.1 機械手坐標形式的確定
機械手主要有如下所述的4種基本的坐標型式：
1. 直角坐標式——直角坐標的機械手結構較簡單，精度高。工作位置為一條直線時十分適合選用本坐標形式。但是其占地較多
2. 圓柱坐標式——結構相對復雜，但運動慣性小，不占太多空間，且工作的范圍廣闊。同時定位精度也可以達到較高的標準，在很多情況下都可以選取本形式。但由于其結構限制，不能夾取地面上的工件。
3. 球坐標式——它具有響應快、迅速、靈活且不占過多空間的優(yōu)點，工作范圍較廣。但是因為球坐標的結構較為復雜，手部擺動幅度的誤差會由于手臂的前后伸縮運動從而引起比原先更大的中心定位誤差。
4. 關節(jié)式——具有三個轉動關節(jié)，其中兩個關節(jié)軸線互相平行，它們形成一個較復雜的運轉范圍。具有響應迅速，工作范圍大且不占很多空間的優(yōu)點，并且可以通用于多種場合。由于其復雜的結構以至于位置精度不容易控制。
綜上所述，本設計的立式精鍛機自動上料機械手采用圓柱坐標式機械手來實現(xiàn)相關功能。
2.2 機械手的主要部件及運動
在選定了圓柱坐標以后，開始分析本文所設計的機械手關鍵的動作。立式精鍛機自動上料機械手自由度數(shù)為4，主要完成5個動作，分別為機械手手爪的夾緊與松開、機械手手腕的回轉、機械手手臂的伸出和收縮、機械手手臂的回轉及其上升下降。
因此，本機械手主要由七個構件、六個缸體組成：
1）機械手手臂升降機構——采用直線式液壓缸；
2）中間座部件——采用齒輪回轉來帶動機械手的手臂回轉；
3）手臂回轉機構——采用回轉式液壓缸；
4）手臂伸縮機構——采用直線式液壓缸；
5）夾持式手部——方案與機械手手臂的伸縮機構相同；
6）手腕部件——方案同3）；
7）回轉定位油缸——進行工件位置的定位。
2.3 驅動機構的選擇
本設計中組成自動上料機械手的關鍵部分即為驅動機構，驅動方案以及驅動裝置的選擇很大程度上決定了系統(tǒng)的性價比。因為擁有不同的動力源，所以工業(yè)機械手的驅動裝置就可以分為液壓驅動、氣動驅動、電動驅動和機械驅動這樣的四類[5]。根據(jù)本設計的情況進行考慮，則本文機械手的驅動方式為液壓驅動。這種方式容易操控，驅動力足夠，能夠較有效完成要求。
2.4 機械手參數(shù)的確定
機械手主要參數(shù)：
1）能夠抓取的工件質量：
工件直徑
2）坐標形式：圓柱坐標
3）自由度：
4）工作半徑的范圍：
5）手臂抬起的最高高度：
6）手臂運動參數(shù)：
手臂德伸出與縮回范圍
手臂伸縮速度 伸出速度： 收縮速度：
手臂升降速度 上升 下降
手臂升降范圍
手臂回轉范圍 （這里?。?
手臂回轉速度
7）手腕運動參數(shù)：
手腕回轉范圍
手腕回轉速度
2.5 本章小結
本章運用了已知的參數(shù)對整體自動上料機械手進行了方案設計，如機械手坐標形式、確定自由度和驅動方式的選擇。
5
3 機械手手部方案的確定與設計
在機械手手部抓取工件時，系統(tǒng)響應應快，精確度高，并且具有一定的可靠性。由于機械手爪抓取工件的參數(shù)有很大的差別，例如大小、形狀、尺寸的不同，因此需要由工件的參數(shù)來決定機械手的具體結構。
3.1 手部結構分類
一般手爪分為夾持式以及吸附式這兩大類[6]。
按照本設計的技術參數(shù)及上文的方案分析，由于本設計的機械手所抓的坯料多為回轉型坯料，為了保證抓取的可靠性，則選取夾鉗式手部設計，本章節(jié)便只介紹夾鉗式手部。
它由機械手手指、傳動機構以及驅動裝置三部分組成[7]?？梢宰バ阅芤约俺叽绺鞑煌幕剞D類零件如套筒等零件。它最常見驅動方式的為液壓驅動，也有氣動或者電驅動的驅動形式[8]。常用傳動的機構來夾緊或放開工件。
平移型手指靠手指的平移來抓平板或是方料。在抓取各種大小不一的圓棒時，精度的影響不大。但制造時較為不便且較占空間。
回轉型手指靠回轉運動抓取。這類手指結構簡便，制造較易。因此這類手指在工業(yè)上應用得較為廣泛。但由于工件的不同會使得精度不太高。其分類形式以及簡圖如圖，一支點回轉型，兩支點回轉型，移動型
本文選取圖中的b）結構作為手指結構。
圖3.1 機械手結構類型
3.2 夾鉗式手部設計的要求
1. 夾緊力、驅動力要足夠[9]——夾緊力若過大會對工件有一定的磨損，也可能會產(chǎn)生大量的能耗，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟性大大降低；相反，若力量過小則會夾持不了工件或是夾持力不夠從而產(chǎn)生松動甚至是脫落，無法保證抓取的安全性。所以，在確定夾緊力時，需要多方面考慮系統(tǒng)的動靜平衡以及慣性問題，保證夾緊的可靠性，防止系統(tǒng)松動和脫落等危險現(xiàn)象。
2. 機械手的手指之間應該有足夠的開閉角度[10]——手指在工作時擁有足夠的開閉范圍則可以簡單順利地抓放坯料或工件。若工件的直徑不同，則需要按直徑大的工件來進行開閉角以及開閉范圍的考慮與選取。
3. 保證工件在手指內(nèi)的夾持精度——手指能夠較準確地定位到被夾緊工件的位置。例如凸輪或是帶有曲面的等工件，保證它們可靠的位置精度是十分重要的一部分。
4. 要求擁有可靠足夠安全的強度和一定的剛度，防止在既有慣性力又有振動的環(huán)境下防止零件失效（斷裂或彎曲變形）。因此也需使結構盡量緊湊輕盈。
5. 應考慮互換性和通用性，在大多數(shù)的情況下，機械手的手部是根據(jù)設定的要求專門設計的，為了讓其有更多的功能或作用，使其更加的通用，提高它的適用性，來適應參數(shù)、形態(tài)各異的工件需要。也可以對機械手的零件進行互換（滿足裝配要求與系統(tǒng)正常運轉即可）。
3.3 機械手手部的設計
3.3.1 手部夾緊裝置
為了完成擬定的設計目標，本文設計的手指結構在上文3.1已經(jīng)介紹，傳動機構采用滑槽杠桿機構，夾緊裝置選擇常開式，油的壓力作為驅動來帶動拉桿進行運動，并且通過傳動機構的帶動來實現(xiàn)手指的抓取運動。
3.3.2 手爪的力學分析
本文所選取的滑槽杠桿式手部的機構如下圖3.2：
圖3.2 手部結構受力分析簡圖
因為圓柱銷為平衡狀態(tài)，其受合力=0，可得出
對其進行變形得到公式3.1
（3.1）
銷對機械手手指的反作用力為，因為二力平衡，所以有下式3.2
（3.2）
由手指的平衡條件得公式3.3，
（3.3）
因為
所以
（3.4）
由上文的分析與計算可得出結論：當驅動力F確定之后，如果角繼續(xù)擴大，那么握力FN也會隨著角度的增加而增大。但角如果過大，則會導致活塞桿上下移動過大，使得手爪的結構也相應地增大，不適合之后對其他部件的設計。因此初步確定角的范圍在之間，本設計中此角度取。
3.3.3 夾緊力及驅動力的計算
保證手爪能夠可靠地抓住工件的關鍵因素在于手指的夾緊力。因此必須對力的三要素進行具體計算分析。載荷包括重力產(chǎn)生的靜載荷以及系統(tǒng)運動時產(chǎn)生的動載荷。
1）最小夾緊力確定
最小夾緊力根據(jù)式3.5進行分析與計算：
（3.5）
其中，安全系數(shù) ，工況系數(shù)根據(jù)公式3.6進行計算
（3.6）
其中
— 最大上升加速度；
g — ；
（3.7）
— 系統(tǒng)響應時間，此處取0.5s；
— 方位系數(shù)，根據(jù)實際情況，這里取4.0；
— 坯料所受的重力，在本文中此重力均為G=mg=60x9.8=588N。
— 運載工件時重力方向的最大上升速度，由前文分析可得出，，將以上結果代入公式3.7計算出加速度a=0.2；
因此，綜上所述，，，，G=588N，根據(jù)公式3.2可得出夾緊力為3598.56N。
2）夾緊缸驅動力的計算
因為本機械手設計所選取的液壓缸為單作用缸，所以其作用力可以由3.8得
(3.8)
— 活塞直徑；
— 活塞桿直徑；
— 工作壓力
上述參數(shù)單位均為SI，由此可確定驅動力：
（2）由公式3.4可以得出公式3.9
（3.9）
將b=90mm，，a=95mm帶入上式，得
（3） 一般取效率值
由此得出
3.4 夾緊缸尺寸計算
表 3.1 液壓缸工作壓力
活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力
（MPa）
活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力
（MPa）
由表3.1分析，本設計中實際工作壓力，不難看出。
如圖，在缸的無桿腔進油時，根據(jù)公式3.10計算其內(nèi)徑
（3.10）
回油時系統(tǒng)壓力，公式可化為3.11
（3.11）
當缸的有桿腔進油時，根據(jù)公式3.12計算其內(nèi)徑：
（3.12）
F — 驅動力；
P1 P2 — 此處??；
— 這里效率值?。?
d — 活塞桿直徑，可利用下式3.13計算
（3.13）
表3.2 壓力與往復速度比對照表
液壓缸工作壓力
往復速度比
由于工作壓力為，所以，得
再將已知結果代入3.5可得
取，查液壓缸內(nèi)徑推薦標準JB826-66確定其內(nèi)徑，外徑推薦標準JB1086-7確定其外徑。綜上，有
液壓夾緊缸的結構件圖見下圖3.3
圖3.3 夾緊缸結構圖
3.5 螺栓尺寸的選定
3.5.1 手指部螺栓的分析與計算
由設計結構分析，手部需要有螺紋緊固件對其進行預緊。又根據(jù)前文的受力分析可知，在機械手手部受力最大螺栓其預緊力力為5382.84N，許用應力2MPa，根據(jù)螺栓設計公式3.13
（3.14）
其中，預緊力為夾緊力5382.84N，得出d1需大于等于6.6mm，根據(jù)GB/T70.1-2016進行取整，所以這里選用內(nèi)六角圓柱頭螺釘M8。
3.5.2 手架部分螺栓的分析與計算
機械手的手架部分需要有4個螺栓對其進行固定，由于夾緊力在手指端部，因此，此螺栓組受傾覆力矩影響。在手指夾取工件時，手架左側螺栓被壓緊，右側螺栓被放松；當手指放開工件時，右側螺栓被壓緊，左側螺栓被放松。根據(jù)螺栓所受最大載荷公式3.15
（3.15）
其中，根據(jù)力矩公式M=Fl得出F=5382.54N，l=345mm，得出螺栓所受的力矩為1856.98Nm。由于4個螺栓在手架均勻分布，因此=45mm。根據(jù)公式3.8可得出螺栓最大工作載荷為10316.6N。由公式3.7可得出螺栓小徑4.6mm，根據(jù)GB/T70.1-2016，對計算結果進行取整，由此選取內(nèi)六角頭圓柱頭螺釘M6。
3.6 手部拉緊軸的分析
3.6.1 軸的載荷分析和計算
根據(jù)手部的分析，機械手手部的軸應為拉緊軸，所受力為兩端的拉緊力，對于夾持式手部的結構分析，軸中由開槽平頭緊定螺釘固定。因此，拉緊軸僅受彎矩影響，受力分析圖及其彎矩圖如圖3-4所示。由已知夾緊力為5382.54N，根據(jù)參數(shù)以及手部結構的參數(shù)，取夾緊力距離軸為195mm，根據(jù)彎矩公式M=Fl得出彎矩為1049.595Nm。
圖3.4 軸的受力分析及其彎矩圖
如上圖所示，F(xiàn)1=F3=5382.84N，F(xiàn)2=10765.68N，所以軸所受最大載荷即為1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設計公式3.16
（3.16）
其中M為1049.595Nm，由前文可知，許用應力=2MPa，因此可得出軸的直徑d6.8mm，取整則為8mm。由于這為拉緊軸，載荷分布較簡單，因此不需要分段，僅需一段即可。軸的裝配圖則如圖3.5所示。
圖3.5 機械手手部拉緊軸裝配圖
3.6.2軸的材料的選擇
由于機械手手部在抓取物體時會在手爪處產(chǎn)生應力集中，因此在軸上會產(chǎn)生一定的彎矩，在軸的運轉過程中亦會產(chǎn)生大量的熱量，需要能夠抗氧化并且能夠耐一定的高溫。如上圖3-5所示，為了手部抓取不產(chǎn)生松動或脫落，保證抓取的可靠性，同時考慮經(jīng)濟性。因此選用經(jīng)過耐熱鋼作為軸的材料。
3.7 銷連接的設計
銷按用途分為用于定位的定位銷，用于連接的連接銷等[11]。前者是機械結構進行裝配時十分重要的定位零件，有些銷也可以傳遞較小的載荷。
銷的類型有很多，例如圓錐銷，圓柱銷，槽銷等，這些銷都是標準件，因此可直接選用。本設計采用圓柱銷，由于圓柱銷需要進行過盈配合從而固定在銷的孔內(nèi)，并且機械手的零部件需要卡緊以保證系統(tǒng)的安全可靠，所以選擇的過盈配合連接。在裝配前，需要對其相關精度進行復查。
3.8 本章小結
本章介紹了機械手的結構及其種類，并通過已選取的方案對于機械手手爪的夾緊力、液壓缸的驅動力進行分析，并根據(jù)表格選取液壓缸的內(nèi)外徑尺寸。根據(jù)已知許用應力設計手部軸，螺栓的直徑，根據(jù)尺寸設計出可靠安全的機械手手部。
4 機械手手腕結構設計
機械手手腕安裝在手臂部分與手爪部分之間，其作用是通過臂部的運動（如移動，回轉等）來更加完善地改變或者調(diào)整機械手的手部在空間內(nèi)操作的方位，使得機械手運動的范圍更廣，同時令機械手適應性更強。
4.1 腕部設計所需滿足的要求
1. 結構盡可能緊湊、質量小
機械手的手腕處于機械手手臂和機械手手爪之間，則整個機械手手部的動載荷以及靜載荷都需要由手臂部承載。因此，不難看出，手腕部的結構、質量和其載荷分布，都會對機械手各部分產(chǎn)生影響。所以在設計時，結構需緊湊并且輕盈。
2. 合理布局其結構
機械手的腕部是整體系統(tǒng)的執(zhí)行機構，還需要有支撐和連接的作用。所以，在能保證系統(tǒng)正常運作的情況下，還需要能夠有足夠安全的強度以及剛度。除此之外，還應結合機械手的實際情況對整體進行全面完善的考慮并合理布局。例如機械手腕部、機械手臂部、機械手手爪部的連接。還有對于手腕部分的自由度數(shù)的檢測以及壽命、性能的分析。
3. 完整分析工作條件
根據(jù)本文參數(shù)以及條件，機械手在抓料上料至立式精鍛機上時，環(huán)境對其沒有太多的影響，而且機械手沒有在高溫高壓的惡劣環(huán)境中，亦沒有在具有腐蝕性的介質中進行工作。所以環(huán)境對系統(tǒng)的影響不大。
4.2 腕部結構的選擇
手腕的動作不是很多，但由于其為連接部件，所以其結構需要非常緊湊。在力量可以保證的前提下，質量盡可能的要小，手腕部分所連接的手爪的夾緊機構經(jīng)常要與手腕結構一同考慮。
本設計條件所需要設計的機械手要求其手腕旋轉90度，1個回轉的自由度。驅動方案已在第二章的方案分配中介紹，此處不再敘述。
4.3 腕部的設計計算
機械手的手腕在回轉時，克服以下阻力才能夠正常運轉：
1. 腕部摩擦力產(chǎn)生的力矩
（4.1）
2. 回轉時產(chǎn)生的偏心矩
（4.2）
式中
——重心到軸線的距離（）。
3. 慣性矩
（4.3）
4. 帶動系統(tǒng)的驅動力矩
（4.4）
4.3.1 腕部參數(shù)的設定
自動上料機械手的手指夾緊結構、手腕回轉結構這幾個結構可以等效成為一個高100cm，直徑100mm，能夠旋轉180度的圓柱體，抓取工件的質量為。其所受的重力為。
4.3.2 腕部驅動條件的確定
1. 摩擦阻力矩
（4.5）
2. 系統(tǒng)啟動時間，此處取
s （4.6）
回轉角速度
（4.7）
3. 慣性矩
（4.8）
，
腕部質量約為
通過式4.8：
4. 回轉時產(chǎn)生的偏心矩（此處可忽略）
5. 能夠驅動系統(tǒng)的總力矩
N·m
取效率，可計算
N·m
有上述計算可知，液壓缸回轉時所產(chǎn)生的驅動力矩必須大于總阻力矩，則有
對公式進行變形，得出式
（4.9）
式中：
— 系統(tǒng)運轉時產(chǎn)生的總力矩；
P — 系統(tǒng)運轉時的壓力差
R — 內(nèi)孔半徑；
r — 軸的半徑；
b — 葉片寬。
圖4.1 回轉液壓缸結構示意圖
如上圖所示，，并由式4.9，得出
4.4 腕部零件的設計
4.4.1 腕部軸承的設計
由于手腕部是橫向放置，軸的最右端與機械手手爪部分相連接。則軸的右端所受轉矩為8Nm，腕部所受重力為132.01kg，即1293.70N，左端軸承徑向力，手腕所受重力與此轉矩相平衡。根據(jù)力學平衡公式及長度可得出，=879.5N。因為手腕為橫向放置，因此軸承不受軸向載荷。選用圓錐滾子軸承即可，綜合手腕結構考慮并根據(jù)GB/T297-2013選用32015及32013的圓錐滾子軸承。相同的，在軸的左端軸承也僅受徑向力作用且僅是定位的作用，所以可以選用深溝球軸承。根據(jù)GB/T276-2013，本設計中，缸體右側選用6015深溝球軸承，缸體左側選用6209軸承。軸承需用卡圈對其進行一定的預緊定位作用，以此來防止軸向游隙。
本機械手中，其軸轉速并不大，且不在高溫的工作介質中工作。因此，考慮到密封以及承受的載荷，這里采取油脂潤滑的方式進行潤滑。裝脂量最適宜裝在軸承內(nèi)部空間容積的。
4.4.2腕部鍵的設計
由于軸受轉矩影響，且不受軸向力，因此選用普通平鍵進行連接即可。根據(jù)GB/T1096-2003，擬定普通平鍵108，長度取35，軸的直徑為35。根據(jù)普通平鍵連接的強度條件公式4.10
（4.10）
其中，根據(jù)上文分析已知轉矩為8Nm，h為8mm。則可得出其應力為3.57MPa，遠小于許用應力。因此，普通平鍵108可以滿足要求。
4.5 本章小結
本章介紹了機械手手腕部分設計的基本要求，且給出了機械手手腕的結構設計，通過已知的手腕結構參數(shù)結構設計計算出機械手腕部所受的載荷，設計出驅動機構的液壓缸尺寸，同時分析與選用手腕部分上的軸承部分以及軸上的鍵的選取與校核，使其能夠正常驅動，運轉可靠。
5 機械手手臂方案的確定與設計
機械手臂部運動的作用：帶動手部的運動且支撐手腕部分及手爪部分。手部的位姿（位置及姿態(tài)）若改變，則需要利用機械手手腕部分的自由度來完成。所以，至少具備3個自由度才能滿足其運動要求。它們分別為手臂的伸縮運動，升降運動和手臂的回轉運動，上述的這些運動利用驅動和傳動機構來完成。機械手的手臂部分在運動時直接承受了機械手的腕部、機械手的手部和工件的動靜載荷。[12]所以機械手手臂的總體結構、手臂工作的范圍及其靈活性對于系統(tǒng)性能的影響是顯而易見的。
5.1 滿足手臂運動的要求
1. 臂部所受載荷要足夠，質量要盡可能的小
1)恰當?shù)奶岣呤直鄣闹蝿偠?，支撐點的距離要盡量合適。
2)對手臂處的載荷詳細考慮，合理布局。
3)采取更精密的公差配合
2. 臂部速度快，慣性盡量減少
機械手在確定了行程范圍、生產(chǎn)節(jié)拍后，便可知其速度大小。因此上述的兩個參數(shù)需要盡量大。機械手臂部的質量也需要一定的減少?？梢酝ㄟ^下列三種方法來減少慣性：
1） 采用密度較低的材料如鋁合金等，減少重量；
2） 對手臂輪廓的尺寸進行一定的縮??；
3） 手臂的回轉運動盡量在較小的前伸位置下，減小手臂的回轉半徑；
3. 手臂不能自鎖
由于系統(tǒng)運動時若不平衡，那么系統(tǒng)很有可能由于摩擦以及動平衡的原因產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，這就需要對系統(tǒng)不自鎖的條件進行考慮，使得手臂能夠順利完成其工作。
5.2 機構的選擇
根據(jù)實際情況以及本文所設定的參數(shù)可知，此處選擇類似雙導桿伸縮機構，并且采用雙作用液壓缸進行液壓驅動。由于希望增加伸縮運動的距離，因此這里將伸縮機構更改為燕尾型導軌。
5.3 手臂的設計計算
先根據(jù)前文已知的參數(shù)和已設計的系統(tǒng)來對本章的系統(tǒng)進行大致的估計，并初步計算設計出一個結構，并且可以類比與之相似的結構，重新進行系統(tǒng)的完善。根據(jù)不斷地分析，便可設計出其結構。
液壓驅動力可通過公式進行計算
（5.1）
5.3.1 系統(tǒng)摩擦力的計算
由前文可知，本設計選取燕尾式導軌，此時的計算公式為：
（5.2）
— 所有構件重力；
— 當量摩擦系數(shù)，可根據(jù)下式5.3計算：
（5.3）
— 鋼對青銅時取摩擦系數(shù)
— 導軌的夾角：
若，
若，
手腕質量大約為200kg，所受重力，手臂質量約為，則其所受重力，機械手抓取的工件，所受重力，進行計算可知
5.3.2 手臂密封裝置阻力的分析與計算
前文第三章已分析系統(tǒng)驅動壓力為，所以有下式5.4；
（5.4）
F為系統(tǒng)的驅動力。
5.3.3 慣性力的計算
慣性力計算公式如式5.5：
（5.5）
式中
—運動狀態(tài)下零件的重力；
— 重力加速度，此處仍取
— 臂部伸出的速度；
— 機械手手臂系統(tǒng)啟動過程的時間，一般可取。
本文所設計的自動上料機械手根據(jù)參數(shù)分析可知其不屬于重載，且運轉速度不快，又由于參數(shù)臂部伸出的=0.233m/s，所以這里取=0.2s，代入上式，得
取=0.05F，將以上的計算結果代入公式 （5.1）
可以得出
則
F=2147.12N
5.4 液壓缸壓力和結構的分析
在已知驅動力之后，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa。其結構示意圖如圖5.1。
圖5.1液壓缸結構圖
此處液壓缸的內(nèi)徑計算方式以及選定方式如同章節(jié)3.4，因此這里僅列出計算結果，過程不再詳細敘述。
解此方程可得出
D2=61.8mm
取D1，D2中的最大值，并根據(jù)液壓缸推薦標準，取內(nèi)外徑標準值，則D=80mm，d=30mm。
5.5 手臂部分螺栓的設計
根據(jù)回轉機構進行分析，螺栓組是由6個承受橫向載荷的螺栓連接，總受力為2147.12N，根據(jù)每個螺栓受力公式5.11可得每個螺栓受力為214.71N。
（5.7）
可得每個螺栓受力為214.71N。根據(jù)螺栓的預緊力公式5.12
（5.8）
為材料的摩擦系數(shù)，取值范圍為，此處取值。f是接合面的摩擦系數(shù)，因為螺栓的材料為鋼，同時查取參考文獻11，得此處的摩擦系數(shù)為0.4，螺栓數(shù)量為6個，z=6，i為接合面數(shù)，結構中螺栓連接了兩個面則有i=2，由此得出螺栓所需預緊力為322.07N。再由螺栓設計公式3.7，計算出出螺栓小徑需要大于8.1mm，對計算結果根據(jù)GB/T70.1-2016進行取整，因此這里選取M10的內(nèi)六角圓柱頭螺釘進行緊固連接。
5.6 手臂部分的裝配以及技術要求
手臂回轉部分依靠上端蓋與手臂的伸縮機構相連接。對于本設計的手臂回轉機構的主軸的軸承進行密封，根據(jù)GB/T3452.1-2005，利用O型橡膠密封圈155x5.3進行密封，各密封件裝配之前需浸透油。
手臂升降部分在螺紋緊固件緊固時，必須使用合適的旋具或扳手。在進行液壓系統(tǒng)的裝配時可以用密封填料，但需要防止泄露進系統(tǒng)內(nèi)。
5.7 本章小結
本章介紹了機械手手臂設計的基本要求，根據(jù)參數(shù)選擇手臂設計的方案并通過摩擦阻力，慣性力，重力等的力學分析設定了手臂驅動液壓缸的內(nèi)徑與外徑。并對一定的零件進行設計與選取。同時也對手臂部分的技術要求作了一定的介紹。
6 機械手機身結構設計
機械手機身的作用既能夠直接支撐手臂，也能夠驅動手臂。在一般情況下，它能完成手臂部分的運動，如回轉和升降。安裝在機械手部件上是它們的傳動機構。機身的形式較多，在大多數(shù)情況下，為固定的機身，特別的機身也可以沿著軌道工作。
6.1 機身整體構思
根據(jù)本設計的參數(shù)以及本設計的要求，機械手需要實現(xiàn)其手臂的回轉運動，一般來說，在機身處設置機械手臂的回轉機構。為了使得設計得合理安全可靠，因此就要進行綜合的考慮及分析。
機身是機械手的重要組成部分，它能夠對機械手的運動產(chǎn)生極大的影響。比較普遍的機身結構有回轉缸位于升降下的結構，其承受力矩大，但精度不能保證；回轉缸位于升降上的結構，其結構緊湊，但質量較大。
綜上，并進行綜合考慮，本設計采取第二種結構即回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計的機械手包括了機械手機身的回轉運動和機械手升降運動這兩種運動?；剞D系統(tǒng)液壓缸的主轉軸與升降系統(tǒng)液壓缸共用一個活塞桿。選用空心的活塞桿，活塞桿內(nèi)裝一個花鍵套，軸與此花鍵采取基孔制過盈配合，活塞的升降運動通過花鍵軸來帶動?；ㄦI軸和升降液壓缸缸體的下端蓋用普通平鍵進行連接固定，下端蓋和連接地面的系統(tǒng)底座來進行固定。這樣就定位了花鍵軸，同時也利用了花鍵軸完全定位了活塞桿[13]。此結構由于活塞桿在內(nèi)部所以十分緊湊。
由于前文已分析驅動結構，此處也使用液壓驅動的方式進行驅動。為了能夠使葉片回轉，回轉液壓缸利用進油孔和排油孔分別通向回轉葉片的兩側即可?；剞D的角度大小一般通過擋塊確定。根據(jù)本設計的條件，就意味著回轉葉片之間所轉動的角度大小，為了達成設計的基本要求，本設計采用動靜片之間回轉的角度為。
6.2 機身回轉機構的分析與計算
6.2.1 液壓缸驅動力矩的計算
回轉液壓缸的大致尺寸與結構如圖6.1所示。且驅動力矩需要滿足式6.1
圖6.1 機身的力學分析與大致尺寸的結構簡圖
（6.1）
一般， 根據(jù)式6.2進行計算；
（6.2）
式中
；
— 啟動時間；
J0 — 手臂在其回轉時產(chǎn)生的轉動慣量（N·m·s2）。
當其回轉時，手臂零件重心與回轉軸的距離為，則其轉動慣量可通過公式進行計算
（6.3）
式中
Jc — 回轉零件產(chǎn)生的轉動慣量，可根據(jù)6.4計算
； （6.4）
— 回轉缸的背壓力矩，
此處可以近似為零。
回轉結構近似視為長，的圓柱體，，，取，
N·m·s2
N·m·s2
由式6.2計算：
N·m
又根據(jù)式6.1計算，最終解出結果
N·m
6.2.2 回轉缸尺寸的選定
（6.5）
對上式進行變形得出式
（6.6）
擬取，，，代入式得
132mm
根據(jù)液壓缸推薦標準系列，取標準值D=150mm。
6.3 機身升降機構的計算
6.3.1 手臂偏重力矩的計算
由前文可知，N，偏重力臂mm。
偏重力矩由公式
（）
將已知數(shù)據(jù)代入上式，得
6.3.2 手臂升降不自鎖條件分析計算
手臂在其重力的作用下會有向下的運動，而立柱的導套防止這種趨勢，如圖6.1所示。
根據(jù)兩力平衡的條件可知
（6.8）
即
（6.9）
而系統(tǒng)不自鎖的條件為：
（6.10）
即
一般取f=0.15，則
（6.11）
當mm時
mm
根據(jù)上述的分析，可得出結論：導套高度最小高度為，根據(jù)綜合情況分析取。
6.3.3 手臂升降時驅動力的計算
（）
取。
余下參數(shù)的的計算同上。
（1） 的計算
（）
由前文參數(shù)以及分析可得，速度,，約為，根據(jù)式
N
（2）
N
推出
N
（3）
根據(jù)密封方式取得
（4）
最終得出總驅動力
6.3.4 液壓缸尺寸的初步確定
由上文分析可得
取，則應得出，查閱液壓缸內(nèi)徑推薦標準得：
6.4 回轉液壓缸結構確定
定位油缸的作用為在手臂回轉時進行定位。其進油方式是單口進油，出油方式為單口出油。
6.4.1 定位桿的受力分析
圖 6.2 桿的力學分析
如上圖，桿所受力為
由圖進行分析可得
6.4.2 定位缸的設計計算
由前文介紹已知，液壓缸的工作壓力，
則本節(jié)的定位缸內(nèi)徑為
因此取，根據(jù)液壓小徑推薦標準選取小徑為，定位缸的結構簡圖如圖6.3所示
圖6.3 回轉定位油缸結構簡圖
6.5 齒輪的計算
本設計中采用直尺圓柱齒輪進行傳動，取輸入功率為10kw，由于本設計僅考慮傳動，所以選用兩個相同齒輪進行傳動。齒輪轉速為960r/min，壓力角取，精度取級，根據(jù)參考文獻11，材料選用40Cr，熱處理采用調(diào)質處理，齒面硬度為280HBS。
選齒輪齒數(shù)為。根據(jù)齒面疲勞強度設計公式
（6.16）
其中，取，，u取3.2，選取，，查閱參考文獻11的表10-5得出彈性影響系數(shù)。同時計算重合度系數(shù)。
查參考文獻11可知齒輪的接觸疲勞極限為550MPa，根據(jù)安全性以及壽命的考慮，取其接觸疲勞許用應力為520MPa。因此，將上列已知參數(shù)帶入公式6.16中，得出
再對分度圓直徑進行一定的調(diào)整，其中齒輪的圓周速度，齒寬=60.9mm，根據(jù)參考文獻11得：
，根據(jù)修正分度圓公式=65.44，則模數(shù)。所以，齒輪的模數(shù)，齒數(shù)，分度圓直徑。精度與壓力角如上文所述。
6.6 連接件的設計
6.6.1 回轉定位油缸鍵的選取
由于軸受轉矩影響，因此利用普通平鍵進行連接即可。查閱鍵的國家標準GB/T1096-2003，擬定選用普通平鍵，長度l取20，軸的直徑為25且軸為基孔制配合。根據(jù)前文公式4.6
（4.10）
其中，力為F/2=5520N，轉矩為55200.0875=483Nm，h為7mm。則可得出其應力為110MPa，可承受靜載荷以及輕微沖擊，滿足要求。因此，普通平鍵87可以滿足要求。
6.6.2 回轉定位油缸銷的選取
由于圓錐銷在受到橫向力的時候會進行自鎖現(xiàn)象。安裝拆卸較方便，精度較高，可進行多次的拆卸與裝配，且對精度沒有影響。所以本設計根據(jù)GB/T117-2000選取圓錐銷B845進行連接。
6.7 本章小結
本章提出了機身的整體設計方案，并且在此基礎上確定選取了回轉液壓缸以及回轉定位缸的尺寸。在對于機構的設計方案完成后，對系統(tǒng)內(nèi)的部分重要零件（如齒輪）以及連接件（鍵，銷）進行了分析與設計計算，選取適合本方案的零件。
7 機械手零部件三維建模
在本設計方案完全確定后