手。 ① 液压机械手的速度控制 开关型液压机械手一般采用节流减速的方法，少数采用蓄能器或溢流减速的方法， 也可以几种方法同时采用。 A. 节流减速系统的设计 油缸端部缓冲装置，油路节流缓冲回路以及液动机械手用的液压缓冲器，都是利用 节流原理，吸收机械手的能量，提高背压控制减速，它们的设计方法相同。 减速过程中，节流口恒定的称为恒节流，节流口不断变化的称为渐变节流。采用恒
1.4
缓冲器与定位功能单元的设计
说明： 工业生产要求机械手工作速度快，运动平稳，定位精度高。应注意其影响
第 ５ 页 共 17 页
因素，设计合理结构，以满足要求。
1.4.1
机械手的运动特征 深入分析机械手的运动特点，有利于根据工作条件选择适宜的运动特性。下列为我
们所选上下刀机械手所应具有的运动规律减速较大的情形。
B. 油缸端部缓冲装置 行程固定的机械手多采用油缸端部缓冲装置。 下图是控制加速和减速的缓冲装置结构。启动时，油经节流孔 1，单向阀 2 进入油 缸， 活塞 5 退出缓冲室 3 后主油口 6 进油， 机械手快速运行。 活塞进入缓冲室的过程中， 三角槽控制节流减速。适用于速度低于 40cm / s 的机械手。
杆内花键套 2 导向。回转运动由摆动油缸 5 驱动，其回转角度是 210 度，因摆动缸安置 在升降活塞杆的上方，故活塞杆 1 的尺寸要加大。 ③ 回转运动采用活塞油缸带动齿条传动的机身。升降运动由活塞 3 驱动。回转运
第 ３ 页 共 17 页
动由活塞油缸 7 驱动与其平行安装的齿条 5 和齿轮 4 来实现的。 这种结构多用于抓重小 的情况。
第 １ 页 共 17 页
1
工业机械手的简介
工业机械手是一种模仿人的动作， 按照预先设定的程序、 轨迹或其它要求实现抓取、 搬运工件或操纵工具的自动化装置。
1.1 ① ② ③
工业机械手的组成 执行系统 驱动系统 控制系统 （手部、腕部、臂部、机身、行走机构） （驱动元件和传动机构） （检测装置、控制装置）
第 ７ 页 共 17 页
该缓冲方案是油缸端部两级节流缓冲装置，锥度为 0.5 度的缓冲柱塞 1 进入节流环 2 的过程中实现渐变减速。缓冲柱塞圆柱段将主油口封闭后，余油经节流环的槽和可调 节流阀挤出实现两极节流缓冲。适用于惯性负荷大的机械手。 ② 液动机械手的速度控制 A. 液动机械手比其他的类型机械手有较多的优点。但还是有一 些可压缩性，可这也比气动的小的多，惯性负荷大的液动机械手采用液压缓冲回路。 B. 采用液动液阻装置。 C. 开关型机械手的定位系统 定位系统与速度控制系统有密切联系，但有独立性。例如节流减速后，既可发出指 令关闭油路,定位也可以压在挡块上而定位。 a. 电气开关预定位： 电动机械手一般用电磁制动器定位。当机械手运动到定位点 时，行程开关发讯电控系统，激励电磁制动器而定位。 特点： 结构简单、工作可靠、维修方便，但定位精度低。 b. 机械挡块定位： 一般是在减速后，驱动压力将运动件压在机械挡块上或驱动压 力将活塞压靠缸盖而定位，定位精度较高。可分为单点定位或多点定位挡块机构。
④ 回转运动由摆动缸驱动。摆动缸安置在立柱上部。臂部用销轴和摆动缸体连接， 作为臂部俯仰运动的支点。摆动缸的转轴和立柱固连，摆动缸体与转套相连，俯仰用活 塞油缸装在转套上。活塞杆与臂部托架用铰链连接。摆动缸工作时，缸体带动套筒及活 塞缸和臂部一起回转。
第 ４ 页 共 17 页
⑤ 回转运动采用气缸链条传动的机身。升降运动是由单作用式气缸来实现的。上 腔进气后推动缸体上升，下降时依靠自动由两只气缸 6 交替驱动，链条 5 带动链轮 2 来 实现的。链轮 2 通过链带动升降气缸的活塞杆和导向杆同步回转。
第 ６ 页 共 17 页
定节流口，在减速开始时，减速度大，冲击大。随后减速平滑下降，定位是稍高。该种 节流口减速行程长，适用低速机械手（参见下图） 。渐变节流可获得较好的减速特性， 如缓冲柱塞开方截面抛物线节流槽（参见下图 1）可实现等减速，减速行程短，柱塞上 开三角槽（参见下图 2）减速过程冲击小，减速行程比恒节流短。圆锥形柱塞的减速特 征比开三角柱塞的稍差。
按照上图的运动，机械手的速度变化呈等加速或不等加速运行，其减速过程亦可分 为等减速运行和不等减速运行。在等加速运行而不等减速运行时，由于速度形成短，故 有利于提高机械手的工作速度。 特点： 速度变化基本上连续，运动中不会发生冲击，可以满足高速、平稳、定位 精度高的要求。
1.4.2
开关型机械手的速度及位置控制 说明： 用电气开关、换向阀、节流阀及机械挡块等控制的机械手称为开关型机械
1.3
工业机械手的机身简介
第 ２ 页 共 17 页
1.3.1
设计机身应注意的问题
机身是支承臂部的部件。升降、回转和俯仰运动机构等都装在机身上。有关机身的 设计应注意以下几个问题： ① 有足够的刚度和稳定性。 ② 运动要灵活。升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象，一般要 有导向装置。 ③ 结构布置要合理，便于装修。
1.4.3
机械传动型机械手速度及位置控制 为了便于控制机械手的速度及位置，一些专用机械手采用凸轮机构和连杆机构驱
动，特点是工作速度可以提高而且与主机同步工作而不产生误动作。 通过比较缓冲方案选择液压缓冲器和油缸端部缓冲，定位选机械挡块定位。
1.4.4
驱动系统和电控系统的选择
第 ８ 页 共 17 页
1
驱动系统的选择
机械手驱动系统有液压驱动、气压驱动、电机驱动和机械驱动四种。机械手的驱动 方式，可以只用一种方式驱动，也可以采用几种方式联合驱动。
表 1.2 各种驱动方案特点比较及初选 比较 内容 机械传动 驱动方式特点比较 电机驱动 异步电机 直流电机 输出 力 输出力较大 输出力较大 步进或伺 服电机 输出力较 小 气体压力小，输出 力较小，如需输出 力较大，则结构尺 寸较大 控制 性能 速度可高， 速度与 加速度均由机构 控制。定位精度 高， 可与主机严格 同步 体积 当自由度多时， 机 构复杂， 体积也较 大 维修 使用 维修使用方便 维修使用方 便 维修使用 复杂 维修简单，能在高 温粉尘等恶劣环境 中使用，泄露影响 小 应用 范围 应用于自由度少 的专用机械手， 高 速、 低速均能适用 使用于抓重 大和速度低 的机械手 可用于程 序复杂和 运动轨迹 要求严格 的小型通 用机械手 中小型专用，通用 机械手都能用 中小型专用，通用机 械手都有应用，特别 是重型机械手，多为 液压驱动 维修方便，液体对温 度变化敏感，油液泄 露易着火 要有减速装 置，体积较大 控制性能较 控制性能 可高速，气体压缩 油液压缩性较差。压 输出压力高，可以获 得较大的输出力 气压驱动 液压驱动
其中
J ---- 臂部对其回转轴线的转动惯量 ω---- 臂部回转角速度 1/s s
t ---- 臂部起动时所需的时间
此处省去 NNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 3053703061
1.3.4
机身的方案评价
表 1.1 加权评分表
评价要素 要素比重
刚度 0.3
维修性 0.1
平稳性 0.2
1.3.2
机身的结构方案 ① 回转运动采用齿条活塞油缸驱动的机身。升降运动由活塞 4 驱动，靠立柱上平
键导向。回转运动由齿条活塞 2 驱动齿轮，带动配油轴 3 和油缸体 6 一起转动，再通过 缸体上键带动外套一起转动而实现的。图如下：
② 回转运动采用摆动油缸驱动的机身。升降运动由活塞油缸 4 驱动，靠升降活塞
1.2
工业机械手的分类方法简介
⑴ 按驱动方式分
① 液压式：操纵力大，体积小，动作平稳。缺点是漏油会影响系统的工作性能， 而且油的黏度对温度变化敏感。 ② 气动式：气源方便，维护简单，易于获得高速度。其缺点是操作力较小、体积 大、空气可压缩性大、速度控制困难、动作不平稳、控制有滞后现象。 ③ 电动式：动力源方便、操作力较大，其缺点是需要设置减速机构，结构较复杂， 或者用特殊电机驱动。 ④ 机械式：一般借助动力源，通过凸轮、连杆机构等实现规定的动作，变换程序 较困难，其动作可靠。 ⑵ 按用途分 ① 用机械手：一般指附属于某一设备的、程序是固定的、动作简单的机械手。 ② 通用机械手：一般指动作程序可变，具有独立控制系统的机械手。 ⑶ 按运动轨迹控制方式分 ① 点位控制：只要求准确控制手部移动的起止位置或有限的设定点位置，不要求 控制其运动轨迹。 ② 连续轨迹控制：要求准确控制运动轨迹，其设定点是无限的，能在三维空间中 做任意复杂的动作。
1.3.3
驱动力的计算 回转运动时，由于起动过程中不是等加速运动，所以最大驱动力矩要比理论上平均
值大一些。计算时一般取 1.3 倍。驱动力矩按下式计算： Ma = 1.3 ( Mm + Mg ) 式中 N*m N
Mm ---- 摩擦力矩（包括各支承处的摩擦力矩） Mg ---- 起动时惯性力矩，一般按下式计算： Mg = J ω / t N*m N
灵活性 0.1 满足程度
制造性 0.1
重量 02
总分 1
取舍
① ② ③ ④ ⑥
80 80 80 60 85
70 80 80 70 70
Байду номын сангаас
70 70 85 85 85
70 70 85 85 85
70 70 70 70 85
50 80 70 70 85
69 76 78.5 74.5 83
舍 舍 取 舍 取
差，惯性大， 好，可以精 不易精确定 位 确定位但 控制系统 复杂 体积较小
性大，阻尼效果差， 力流量均容易控制， 冲击较严重，精确 定位差，低速不易 控制 体积较大 可无级调速，反应灵 敏，实现连续轨迹控 制 在输出力相同的条件 下，体积小
第 ９ 页 共 17 页
成本
结构简单，成本 低， 一般工厂可以 自己制造
前 言
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、 输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已越来越引起人 们的重视。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 业等方面得到越来越广泛的应用。 在现代工业生产自动化领域中，机械加工的快速上下刀、精确的加工都使数控机床 以及数控加工中心的应用显得十分重要。据详实的资料统计，这些费用占全部加工费用 的五分之一以上。而大规模的机械加工中，时间的节省越来越成为生产者和工程设计者 （或者技术人员）的追求方向，这也是未来工业发展的趋势。 在现代的工业生产中，需要普通车床的生产更为高效、精度高、适应性强、加工性 能强，而且还可以减轻工人的劳动强度。这样使之能够适于单件、中小批量的生产；形 状比较复杂，精度要求高的零件加工；产品更新频繁，生产周期短的加工。这在改进产 品质量，改善工作条件，提高经济效益等方面，都能获得显著的效果。 机械手已被广泛用于航空、航天以及工业生产领域中，并取得较好的效果。现今的 工业机械手可分为专用机械手和通用机械手两类。 我国目前研制的工业机械手大多还是 专用机械手。该机械手的结构形式比较简单，专用性强，仅附属于某台机床。虽然其有 着通用机械手无法比拟的批量大， 对某些设备 （或者机加零件） 的加工精确性高的优点， 但就目前来看，专用机械手存在着适应性不强的弊端。这就要对其进行必要的改造，使 其适应未来的工业发展的需要。由于通用机械手改变工作程序较方便，特别适用于多品 种、小批量的生产。通用机械手在工业生产中的应用只有三十年的历史，但这些装置在 国外得到相当重视。所以设计生产使用数控机床、数控加工中心一类的较为高级的机加 设备是迫在眉睫的。虽然目前我国的数控加工中心等大型设备还是依赖进口，但相信不 久的将来我国必然会设计研制出自己的设备，这需要我们所有人的不懈努力。 我们这次的设计任务是参考以往的技术资料， 设计数控卧式镗铣床的自动换刀机械 手。但由于初涉大型设计经验不足，搜集的资料可能不够全面，且缺乏实际工作经验， 故设计不当之处再所难免，恳请各位老师给予批评和指正。