摘要本文对工业机械手爪搬运零部件进行了总体方案设计，确定了机械手的形式及自由度，进行了相应的受力分析与校核。

驱动部分运用了液压系统，计算了液压缸及液压泵等重要元件的具体参数和规格。

控制部分运用单片机系统控制机械手的运动，通过行程开关及电磁阀的闭合控制了机械手的动作顺序。

说明书中绘制出了机械手爪的设计装配图及相应的数据参数设计出了机械手的液压系统，绘制了机械手液压系统工作原理图。

利用单片机对机械手进行控制，选取了合适的AT89S51型号，根据机械手的工作流程制定了单片机控制方案，画出了机械手的工作时PCB原理图，并编制了C语言的控制程序。

关键词：机械手；液压系统；单片机目录1 机械手设计任务书 (3)1.1 综合设计目的 (3)1.2 题目要求 (3)1.3 设计内容安排 (3)2 机械手概述 (4)2.1 机械手主要参数 (5)2.2 手爪机构设计 (5)3 液压系统的设计 (10)3.1 液压系统简介 (10)3.2 液压缸选择 (12)3.3 机械手夹持工件原理设计 (17)3.4 机械手伸缩及左右移动液压回路 (18)3.5 总体系统图 (20)4 单片机实时液压回路控制 (21)4.1 主要设计思路 (21)4.2 行程开关及其原理 (24)4.3 压力开关及其原理 (25)4.4 单片机控制流程图 (25)5 综合设计总结 (28)6 参考文献 (29)1 机械手设计任务书1.1 综合设计目的1、综合应用专业课程的基本理论和基本知识，初步建立工程项目的独立设计能力。

2、培养查阅技术文献和资料、使用数据手册、进行综合计算、绘制规范的技术图纸、撰写完整的技术报告的能力。

3、培养严谨的工作作风、认真负责的工作态度、以及创新能力。

1.2 题目要求：1、机械手在专用机床及自动线上应用十分广泛，主要用于搬运或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。

本设计中的机械手各动作由液压系统驱动，并由电磁阀控制。

2、具体动作顺序是：原位→伸出→夹紧→缩回→左移→伸出→放松→缩回→右移→ 原位3、机械手实现夹持实心长方体外形工件，尺寸范围：300X200X200mm材料密度为7800kg/m31.3 设计内容及安排：1、熟悉任务，查阅资料。

2、根据夹持对象的尺寸特征和重量，确定机械手的主要尺寸和形式，写出设计依据。

3、根据动作顺序，确定所需要执行原件的数量，并画出液压（或气压）系统的工作原理图，要求换向阀选用电磁阀，写出电磁铁的动作顺序表。

4、确定液压系统的工作压力，并根据系统的工作压力和流量确定执行元件的主要尺寸，以及所需动力元件、辅助件、控制元件的型号。

5、画出机械手装配图，3号图纸。

6、写出电磁铁的动作顺序表，4号图纸。

7、整理设计说明书，答辩。

2、机械手概述工业机器人手爪由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

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。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.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”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业比较简单，专用性等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

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。

2.1机械手的主要参数1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，根据设计得情况机械手抓重为G= 917 N。

2、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。

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1m/s，平均移动速度为0.5m/s，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1500mm，手臂安装前后可调200mm。

手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。

手臂升降行程定为150mm。

定位精度也是基本参数之一。

该机械手的定位精度为土0.5～±l2.2 手爪结构设计2.2.1手爪选择概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。

机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。

钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。

其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，这里采用滑槽杠杆式。

2.2.2设计时应考虑的几个问题1、应具有足够的握力（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。

2、手指间应有一定的开闭角两个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。

手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。

若夹持不同的工件，应按最大宽度的工件考虑。

3、应保证工件的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；而长方形工件长多采用板式手爪。

4、应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，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。

5、应考虑被抓取对象的要求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。

2.2.3 机械手指形状设计设计中夹持的工件为长方体,所以手爪的形状设计成与工件相似的形状，运用夹板式的手指可以增加与工件的接触面积，同时受力过程中不易变形。

为了增大摩擦力在手指的位置加上易拆装的硬橡胶，这样不仅可以增加摩擦力，更可以在夹持零件形状有所误差时，根据橡胶的弹性挤压力可以很好的解决因工件尺寸不一导致手指夹持时出现一定偏角的情况。

手指部位为了增加摩擦系数，且方便跟换，这里在夹持接触的地方用橡胶制作夹头，查《机械设计手册》可知橡胶的摩擦系数为：钢-硬橡胶摩擦因数 0.36。

初步设计得机械手爪的形状如图2-1，手爪通过拉销作用于滑槽，从而形成一个减力力臂，根据杠杆定理可以计算出该机构的布局合理性。

图2-1 滑槽杠杆式手部结构示意图2.2.4 手指受力计算及分析1、受力分析根据设计的机械手的原理对其进行相应的受力分析，不仅可以提高系统的可靠性，还可以得出薄弱的环节从而进行进一步的优化。

受力分析图如图2-2.图2-2 滑槽杠杆式手部受力分析2、动作原理说明图2-3滑槽受力机构如图2-3所示，当驱动杆连同圆柱销一起往复运动时，圆柱销在滑槽内推拉手指杠杆从而可拨动两个手指各自绕其支点（手指上的矫销）作相对的回转运动，进而达到实现手指的夹紧与松开的动作。

2、夹紧力与N与驱动力A的关系（传力比）当手指处于夹紧工件的状态时，图2-2中滑槽杠杆的倾斜角α为滑槽曲线与回转支点连线的夹角，此时称为夹紧状态的倾斜角。

由于左右两手指的对称性，在液压缸的驱动力A的作用下，每个滑槽杠杆受力相等。

在不计摩擦力的情况下有P1=P2=A2cosα（2−1）根据各力对回转支点O的力矩平衡条件，同样在不计摩擦力的情况下可得N∗b=P1∗acosα=A2cosα∗acosα（2-2）其中：acosα为杠杆动力臂；即驱动力对滑槽的作用力至支点O的垂直距离b为杠杆阻力臂，即夹紧力至支点O的垂直距离于是传力比为N A =a2b cosαcosα（2-3）由此可知当a b⁄为定值时，α将决定这一机构的增力大小，α增大则NA值增大，但，α的增大会将使驱动行程增大，同时手部结构也将增大。

本机构中a为工件的宽度的一半为100mm, b为杠杆阻力臂，设计的长度为200mm故a b⁄=1/33、运动的动作范围滑槽杠杆可对称于两支点的连线上下摆动。

假设处于极限行程时有l max为滑槽杆的最大长度cosαmax=al max为了避免滑槽杠杆与两回转支点发生干扰，一般应使l max<2a即cosαmax>0.5 αmax<60一般取α=30°~40°。

这里取角α=30度。

根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:∗（cosα）2∗N（2-4）A=2ba根据手指夹持工件的方位，计算握力:机械手实现夹持实心长方体外形工件，尺寸范围：300X200X200mm,材料密度为7800kg/m3则 m=ρ∗v=7800X0.3X0.2X0.2=93.6kg故重力为G=m*g=93.6 X 9.8=917 N由受力分析可知其中u为摩擦系数（2-5）N∗u=G2手指部位为了增加摩擦系数，且方便跟换，这里在夹持接触的地方用橡胶制作夹头，查《机械设计手册》可知橡胶的摩擦系数为：钢-硬橡胶摩擦因数 0.36 则产生的挤压力 N=1274 牛因为a b⁄=1/2∗（cosα）2∗N=2750 N （2-6）则驱动力为A=2ba为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力A实际应按以下公式计算，即：A实际=AK1K2/η （2-7）式中η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95；取0.90K1——安全系数，一般取1.2~2, 取1.5K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。