工业机械手毕业设计.docx

本科生毕业设计

姓 名： 李涛 学 号： 02062200
学 院： 机 电 工 程 学 院
专 业： 机械设计及其自动化 　
设计题目： 工 业 机 械 手
专 题：
指导教师： 毕莉 职 称： 讲师

二O一四 年 六 月 徐州

中国矿业大学毕业设计任务书

学院 机电工程学院 专业年级 机自07-9班 学生姓名 李涛

任务下达日期： 2014年3月20日

毕业设计日期：2014年3月20日 – 2014年6月17日

毕业设计题目：工业机械手

毕业设计专题题目：

毕业设计主要内容和要求：

进行工业机械手的设计计算：
抓重10Kg，夹持棒料直径50-70mm，定位精度±2.5mm.
进行机械手装配图、零件图的绘制，总图量不少于3.5张（折合A0）
进行说明书的撰写，字数不少于两万字
进行英文文献翻译，中文译文不少于3000字

院长签字： 指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩： 指导教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩： 评阅教师签字：
年 月 日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答 辩 情 况
提 出 问 题
回 答 问 题
正 确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：
年 月 日
学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：
年 月 日

摘 要

机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
本文主要叙述了工业机械手的设计过程。
本文首通过对机械手组成和分类以及国内外的发展状况的了解，确定了总体方案的设计，采用圆柱坐标型式。之后介绍了机械手的设计理论与方法。分章节详细地讨论了机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。本次设计的机械手采用液压驱动方式，通过活塞液压缸和回转液压缸完成机械手自由度的实现。

关键词：机械手； 液压传动； 液压缸

Abstract

The manipulator can imitate the manpower and the arm certain movement functions, with by presses the fixed routine to capture, the transporting thing 'or' operation tool automatic operation installment. It may replace human's strenuous labor by to realize the production mechanization and the automation, can operate under the harmful environment by protects the personal safety , can be more good to save energy and improve the transport efficiency of equipment or products, to reduce restrictions on other modes of transportation and inadequate to meet the requirements of modern economic development. Thus widely applies in department and so on machine manufacture, metallurgy, electron, light industry and atomic energy.
This paper mainly describes the design process of the industrial manipulator.
This paper first composition and classification through the manipulator and the development of international understanding, to determine the overall program design, using a cylindrical coordinate type. After the introduction of the manipulator design theory and methods. Sub-sections detail the manipulator's hand, wrist, arm and body and other major components of the structural design. The design of the manipulator using hydraulic drive, hydraulic cylinders and rotary piston by hydraulic cylinders to complete the realization of freedom manipulator.

Keyword: Manipulator; Hydraulic power transmission; Hydraulic cylinder

目 录

1 绪论 1
1.1机械手概述 1
1.2 工业机械手的简史 1
1.3工业机械手在生产中的应用 2
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 2
1.3.2 在实现单机自动化方面 2
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 3
1.4 机械手的组成 3
1.4.1 执行机构 4
1.4.2 驱动机构 5
1.4.3 控制系统分类 5
1.5 工业机械手的分类 6
1.6国内外工业机械手的发展趋势 6
1.6.1 国外机器人技术现状及发展 7
1.6.2 国内机器人技术现状及发展 7
1.7 本章小结 8
2 机械手的总体设计方案 9
2.1 机械手基本形式的选择 9
2.2机械手的主要部件及运动 9
2.3驱动机构的选择 10
2.4 机械手设计的内容 10
2.5 机械手的基本参数 11
2.6 本章小结 11
3 手部的设计 12
3.1 手部设计基本要求 12
3.2 手部的受力分析 13
3.3 手指的抓取精度的计算 16
3.4 手部夹紧液压缸的设计 18
3.5 本章小结 22
4 腕部的设计 23
4.1 腕部设计的基本要求 23
4.2 腕部的机构及选择 23
4.2.1 典型的腕部结构 23
4.2.2 腕部结构和驱动方式的选择 23
4.3 腕部的设计计算 23
4.4 本章小结 26
5 手臂的设计 27
5.1 臂部设计的基本要求 27
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 28
5.2.1 手臂的典型运动机构 28
5.2.2 手臂运动机构的选择 28
5.3 手臂部分的设计计算 28
5.3.1 水平伸缩直线运动液压缸的驱动力 28
5.3.2 液压缸的尺寸设计 30
5.4 本章小结 34
6 机身的设计 35
6.1 机身的整体设计 35
6.2 机身回转机构的设计计算 36
6.3 机身升降机构的设计计算 39
6.3.1 液压缸驱动力的计算 39
6.3.2 液压缸尺寸的计算 41
6.4 本章小结 43
7 驱动系统 44
7.1工业机械手驱动系统的选择 44
7.1.1各类驱动系统的特点 44
7.1.2工业机械手驱动系统的选择原则 44
7.2液压系统传动方案的确定 44
7.2.1各液压缸的换向回路 45
7.2.2调速方案 45
7.2.3减速缓冲回路 46
7.2.4系统安全可靠性 47
7.2.5液压系统的合成和完善 47
7.3各液压缸流量计算 47
7.4拟定液压系统 49
7.5各液压元件的选择计算 51
7.6本章小结 52
总结 53
参考文献 54
翻译部分 55
英文原文 55
中文译文 61
致谢 66

中国矿业大学2014届本科生毕业设计 第66页
1 绪论
1.1机械手概述
用于再现人手的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。
机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，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，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的关注 。
机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。
机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.2 工业机械手的简史
机械手诞生于40年代，最早应用原子能工业领域内。随后机械手的发展突飞猛进，不断更新换代，其主要经历分为三代:
第一代机械手主要靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力;改进的方向主要是将成本降低和提高精度。
第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机育旨。
械手能独立完成工程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着机械手功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益在扩大，现已广泛应用于制造业、农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和太空的开发事业中。机械手技术的研究与应用水平，反映着一个国家的经济实力和科技发展水平，国内外对发展这一技术都很重视，纷纷投入大量力量对机械手进行研究。
我国政府非常机械手技术的发展，从“七五”科技攻关及实施863计划开始，就有计划的组织和发展工业机械手事业，经过20多年的研制和应用，目前在工业机械手的一些机种方面，如喷漆机械手、焊接机械手、搬运机械手、装配机器人和特种机器人都有了长足的进步，基本掌握了工业机械手的设计制造技术和机械手应用中单元和生产线的设计、制造技术，有了一支具有一定技术水平的科技团队。但是，我国工业机械手在总体技术上与世界先进水平还有很大的差距，仅相当于国外90年代中期的水平。为了促进国内机械手工业的发展，必须在以市场需求的前提下，国家在政策上给以指导和鼓励。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快，一般的工业机械手
技术相当成熟，国外机器人的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更，如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测。
另外，机械手的应用和发展，大大促进了智能机器人的研制，其中重点领域是仿人机器人的研究。日本在2000年研制出了一台真正具有世界影响的仿人机器人Asimo，它的诞生促进了各种各样仿人机器人的研究，开辟了一个仿人机器人的发展。此后，日本还推出了一个为期5年的“仿人机器人在实际环境中运行的关键技术研究和发展计划”，这个实用性项目此后，是在日本产业技术综合研究所于2005年1月开发、然后由川田等公司生产的HRP-2机器人基础上进行的。另外，韩国、美国等国家相继推出了各种类型的仿人机器人。2004年12月27日，韩国先进科技研究所(KAIST)发表HUBO机器人。美国军方正在开发机器人士兵，专家预测这至少需要30年时间。机器人杯足球赛 (RoboCup) 始于2002年，组织者预期到2050年仿人机器人足球队可以击败人类的世界杯冠军队。许多人还期望仿人机器人进入家庭，成为真正的机器人仆人。这些都是长远的目标，需要为其付出不断的努力。
1.3工业机械手在生产中的应用
机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面
1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线
一般都采用机械手在机床之间传送。国内已建成的这类，自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线（盘类）。
加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。
1.3.2 在实现单机自动化方面
各类半自动车窗，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用最多，如伤害柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面已有成熟的经验，国内一些机床厂已经在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。
注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。
冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。目前机械手在冲床上的应用有两个方面：一是160T以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200T冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂400T冲床的下料机械手等；一是用于多工位冲床，用作冲压工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的120T和40T多工位冲床机械手等。
1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面
模锻方面，国内大批量生产的3T、5T、10T模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
总的来说，机械手满足了社会生产的需要，其主要特点是：
对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中，推广工业机械手或机器人、
机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人的功能。人在连续工作几个小时之后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，既能胜任长时间的单调重复劳动
由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。
机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速的予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。
采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。
1.4 机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成 ，各部关系如图1-1所示，机械手的组成示意图如图1-2所示。

1.4.1 执行机构
1.手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单）。手爪多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。
传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。
2.腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位（即姿态）。如图1-3。它可以有上下摆动,左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动。如果有特殊要求（将轴类零件放在顶尖上，将筒类，盘类零件卡在卡盘上等），手腕还可以有一个小距离的横移。也有的工业机械手没有腕部自由度。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
3.臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
4.行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。
1.4.2 驱动机构
有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或者机械挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力人，臂力可达1000N以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在1mm范围内。目前最常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。
1.4.3 控制系统分类
有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。需要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.5 工业机械手的分类
机械手可从使用范围、运动坐标形势、驱动方式以及臂力大小四个方面分别分类
一、按机械手适用范围分类
(l)专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。
(2)通用机械手具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成物件或操作某些工具的机械装置。
通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求高，故制造成本一般也较高。
二、按机械手臂的运动坐标形式分类
(1)直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定位沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；
(2)圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，亦可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；
(3)球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)。
(4)多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其大小臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。
三、按机械手的驱动方式分类
（1）液压驱动机械手——以压力油进行驱动；
（2）气压驱动机械手——以压缩空气进行驱动；
（3）电力驱动机械手——直接用电动机进行驱动；
（4）机械驱动机械手——是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。
四、按机械手比例大小分类
（1）微型机械手臂力小于1kg；
（2）小型机械手臂力为1一10kg；
（3）中型机械手臂力为10一30kg；
（4）大型机械手臂力大于30kg。
1.6国内外工业机械手的发展趋势
机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果未能走出实验室。 机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行探索。
1.6.1 国外机器人技术现状及发展
为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基—梅隆机器人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作录像机、开汽车一样。
除了这些研究单位，各大机器人企业也投入大量人力、财力开发机器人系统。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：
1.工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从1991年的10.3万美元降至2002年的6.5万美元。
2.机械结构向模块化、可重构化发展。 例如关节模块中的伺服电机、减速机检测系统三位一体化，由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。
3.工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日渐小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
4.机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
5.虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
6.当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入使用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名的实例。
7.机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
1.6.2 国内机器人技术现状及发展
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。
我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.7 本章小结
本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的现状和发展趋势，简要的叙述了本文的内容。

2 机械手的总体设计方案
工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程(机电一体化)等专业的一个重要的教学环节，是学完技术基础课及有关专业课程后的一次专业课程内容的综合设计。通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。通过这一教学环节要求达到：
(1)通过设计，把有关课程(机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、测控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等)中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切地结合起来。
(2)工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计，陪养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。
(3)通过设计，使学生能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范，热悉有关国家标淮和部颁标准，以完成一个工程技术人员在机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种：
(1)直角坐标式机械手；
(2)圆柱坐标式机械手；
(3)球坐标式机械手；
(4)多关节式机机械手。
其中圆柱坐标式机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标，如图2-1所示。
2.2机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；手臂回转；手臂升降5个主要运动。
本设计机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转。（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

图2-1 圆柱坐标机械手示意图
2.3驱动机构的选择
驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压驱动的特点有：
(1)驱动力或驱动力矩较大；
(2)速度反应性较好；
(3)调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；
(4)传动平稳，能吸收冲击力可以实现较频繁而平稳的换向；
(5)在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；
(6)定位精度比气动高。
基于以上考虑，机械手的驱动方案选择液压驱动。
2.4 机械手设计的内容
要求本设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处得技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的形式和复杂程度，但做功的机械本体部分(包括动力装置)和微电子控制部分(包括信息处理)是其最基本的、必不可少的要素。我选择工业机械手作为设计题目，无论从内容的深度、份量以及覆盖各科知识面的程度来衡都是适当的。
在规定的学时数内，要求每个学生完成以下工作:
(1)拟定(或评述)整体方案，
(2)根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部、机身的结构。
(3)各部件的设计计算。
(4)工业机械手工作装配图的设计与绘制。
(5)液压系统图的设计与绘制。
(6)设计计算说明书。
2.5 机械手的基本参数
抓重10Kg，夹持棒料直径50-70mm，定位精度±2.5mm.
2.6 本章小结
本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的控制方式。下面的设计计算将以次进行。

3 手部的设计
机械手上承担抓（或吸）取物件的机构，叫做机械手的手部，有手指、传力（或增力）机构和驱动装置等组成，是机械手的重要组成物件之一。
根据被抓取物件的材质、形状、尺寸、重量以及其他一些特征（如易碎性、导磁性、表面光洁度等）的不同，手部的种类也不一样。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可成夹持和吸附两大类，本设计选取的属于夹持类。
夹持类手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类的零件。一般情况下，多采用两个手指，少数采用三指或多指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源有液压的，气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现夹紧或松开。
回转型手指的张开闭合靠手指根部的回转运动来实现。枢轴支点为一个的，成为单支点回转；为两个的，成为双支点回转型。这种手指机构简单，形状小巧，但夹持不同工件回产生夹持定位偏差。
通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用连杆杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下机械手手抓闭和，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而机械手手指张开。
3.1 手部设计基本要求
(1)应具有适当的夹紧力和驱动力
手指握力（夹紧力）大小要适宜，握力过大，则需要较大的动力源和较大的结构，不经济，并可能损坏物件；握力过小，由于物件的自重以及传送过程中的惯性力和振动等而抓不住物件。在通常情况下（除依靠摩擦力握紧外）,所需要的握力是物件重量的2~3倍。机械手的手指握力应当是可调的。但由于