第一章引言
1.1 液壓機械手概述
液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是:介質源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。
但是，由於空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，衝擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用於高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。
液壓技術有以下優點:
（1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發生大的衝擊；
（2）能在給定範圍內平穩的自動調節牽引速度，並可實現無極調速；
（3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換；
（4）液壓幫浦和液壓馬達之間用油管連線，在空間布置上彼此不受嚴格限制；
（5）由於採用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；
（6）操縱控制簡便，自動化程度高；
（7）容易實現過載保護。
1.2 液壓機械手的設計要求
1.2.2 課題的設計要求
本課題將要完成的主要任務如下:
(1)機械手為通用機械手，因此相對於專用機械手來說，它的適用面相對較廣。
(2)選取機械手的座標型式和自由度。
(3)設計出機械手的各執行機構，包括:手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用於夾持式手指來抓取棒料工件，在工業需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。
(4)液壓傳動系統的設計
本課題將設計出機械手的液壓傳動系統，包括液壓元器件的選取，液壓迴路的設計，並繪出液壓原理圖。
(5)機械手的控制系統的設計
本機械手擬採用可程式設計序控制器(plc)對機械手進行控制，本課題將要選取plc型號，根據機械手的工作流程編制出plc程式，並畫出梯形圖。
1.3 機械手的系統工作原理及組成
機械手的系統工作原理框圖如圖1-1所示
圖1-1機械手的系統工作原理框圖
機械手的工作原理：機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。在plc程式控制的條件下，採用液壓傳動方式，來實現執行機構的相應部位發生規定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。
同時按其控制系統的資訊對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警訊號。位置檢測裝置隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，並與設定的位置進行比較，然後通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.
(一)執行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件。由於與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們採用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。
手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，製造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較複雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化範圍大的工件。
手指結構取決於被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:
滑槽槓桿式、連桿槓桿式、斜面槓桿式、齒輪齒條式、絲槓螺母彈簧式和重力式等。
2、手腕
是連線手部和手臂的部件，並可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，並按預定要求將其搬運到指定的位置。工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、液壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。
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，手臂的迴轉運動和公升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯絡。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。
5、機座
機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝於機座上，故起支撐和連線的作用。
(二)驅動系統
驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的。它由動力裝置、調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、 液壓傳動、機械傳動。
(三)控制系統
控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程式控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。該機械手採用的是plc程式控制系統，它支配著機械手按規定的程式運動，並記憶人們給予機械手的指令資訊(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的資訊對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警訊號。
(四)位置檢測裝置
控制機械手執行機構的運動位置，並隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，並與設定的位置進行比較，然後通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定的精度達到設定位置.
第二章機械手的整體設計方案
對液壓機械手的基本要求是能快速、準確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計液壓機械手的原則是:充分分析作業物件(工件)的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝，並滿足系統功能要求和環境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量引數等，從而進一步確定對機械手結構及執行控制的要求;盡量選用定型的標準元件，簡化設計製造過程，兼顧通用性和專用性，並能實現柔性轉換和程式設計控制.
本次設計的機械手是通用液壓上下料機械手（如圖2-1所示），是一種適合於成批或中、小批生產的、可以改變動作程式的自動搬運或操作裝置，動作強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用於操作環境惡劣的場合。
圖2-1機械手的整體機械結構
2.1 機械手的座標型式與自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節式。由於本機械手在上下料時手臂具有公升降、收縮及迴轉運動，因此，採用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補公升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加乙個手臂上下擺動的自由度。
（如圖2-2所示）
圖2-2 機械手的運動示意圖
2.2 機械手的手部結構方案設計
為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部;當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
2.3 機械手的手腕結構方案設計
考慮到機械手的通用性，同時由於被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有迴轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成迴轉結構，實現手腕迴轉運動的機構為迴轉液壓缸。
2.4 機械手的手臂結構方案設計
按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右迴轉和降(或俯仰)運動。手臂的迴轉和公升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現。
2.5 機械手的驅動方案設計
由於液壓傳動系統的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和洩漏較小，成本低廉因此本機械手採用液壓傳動方式。
2.6 機械手的控制方案設計
考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們採用可程式設計序控制器(plc)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變plc程式即可實現，非常方便快捷。
2.7 機械手的主要技術引數
.機械手的最大抓重是其規格的主引數，由於是採用液壓方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計引數，結合工業生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為5公斤。
.基本引數運動速度是機械手主要的基本引數。操作節拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用範圍。
（如圖2-3所示）而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及迴轉的速度。該機械手最大移動速度設計為。最大迴轉速度設計為。
平均移動速度為。平均迴轉速度為。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。
除了運動速度以外，手臂設計的基本引數還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設計成相當於人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。
在這種情況下宜採用自動傳送裝置為好。根據統計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂公升降行程定為。
定位精度也是基本引數之一。該機械手的定位精度為。
. 用途:
用於自動輸送線的上下料。
．設計技術引數:
1、抓重
2、自由度數4個自由度
3、座標型式圓柱座標
4、最大工作半徑
5、手臂最大中心高
6、手臂運動引數
伸縮行程
伸縮速度
公升降行程
公升降速度
迴轉範圍
迴轉速度
7、手腕運動引數迴轉範圍
迴轉速度
8、手指夾持範圍棒料:
9、定位方式行程開關或可調機械擋塊等
10、定位精度
11、驅動方式液壓傳動
工業機械手設計說明書
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