畢業(yè)設計----多自由度鋁合金機械手的設計與實現(xiàn)

1、<p>　　多自由度鋁合金機械手的設計與實現(xiàn)</p><p>　　作 者 姓 名 </p><p>　　專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 </p><p>　　指導教師姓名 </p><p>　　專業(yè)

2、技術職務 講 師 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要 ………………………………………………………………… 3</p><p>　　第一章 前言 ………………………………………………… 4</p><p>　　1.1工業(yè)機械手

3、概述 ………………………………………………… 5</p><p>　　1.2機械手的組成和分類 …………………………………………… 5</p><p>　　1.2.1機械手的組成 ………………………………………………… 5</p><p>　　1.2.2機械手的分類  ………………………………………………… 6</p><p&g

4、t;　　1.3國內(nèi)外發(fā)展狀況 ………………………………………………… 6</p><p>　　1.3.1機械手發(fā)展歷史 ……………………………………………… 6</p><p>　　1.3.2機械手發(fā)展趨勢 ……………………………………………… 7</p><p>　　1.4 本論文研究的內(nèi)容及意義 ……………………………………… 8</p>

5、<p>　　第二章 工業(yè)機械手的總體設計 …………………………… 9</p><p>　　2.1機械手基本形式的選擇 ………………………………………… 9</p><p>　　2.2機械手的主要部件及運動 ……………………………………… 9</p><p>　　2.3驅動機構的選擇 ………………………………………………… 9</p&g

6、t;<p>　　2.4機械手主要技術參數(shù)指標 ……………………………………… 11</p><p>　　第三章 機械手的機械系統(tǒng)設計 …………………………… 12</p><p>　　3.1機械手的手部設計基本要求  …………………………………… 12</p><p>　　3.2機械手典型的手部結構 ……………………………………

7、…… 12</p><p>　　3.3 機械手手抓的設計計算 ………………………………………… 12</p><p>　　3.3.1選擇機械手手抓的類型及夾緊裝置 ………………………… 12</p><p>　　3.3.2手抓的力學分析 ……………………………………………… 123.3.3手抓夾緊力及驅動力的計算 ………………………………… 13&

8、lt;/p><p>　　3.3.4手抓夾持范圍計算 …………………………………………… 14</p><p>　　3.4銷軸的選擇與校核 ……………………………………………… 15</p><p>　　第四章 機械手驅動裝置的選擇 …………………………… 16</p><p>　　4.1機械手夾緊氣缸的選擇 ………………………………

9、………… 16</p><p>　　4.1.1氣缸直徑的計算 ……………………………………………… 17</p><p>　　4.1.2氣缸型號的確定 ……………………………………………… 17</p><p>　　4.2機械手上升氣缸的選擇 ………………………………………… 17</p><p>　　4.2.1手部重量的估算

10、 ……………………………………………… 17</p><p>　　4.2.2上升氣缸型號的選擇 ………………………………………… 18</p><p>　　4.2.3氣缸控制回路原理圖 ………………………………………… 18</p><p>　　4.3電機的選擇 ……………………………………………………… 19</p><p>

11、　　4.3.1電機的類型及作用 …………………………………………… 19</p><p>　　4.3.2電機的選擇 …………………………………………………… 20</p><p>　　4.4軸承的選擇 ……………………………………………………… 21</p><p>　　4.4.1軸承的類型及特點 …………………………………………… 21</p

12、><p>　　4.4.2軸承的選擇 …………………………………………………… 21</p><p>　　4.5軸的設計 ………………………………………………………… 22</p><p>　　第五章 總結與展望 ………………………………………… 23</p><p>　　參考文獻 ………………………………………………………………

13、25</p><p>　　致 謝 ………………………………………………………………… 26</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各

14、種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。</p><p>　　本畢業(yè)設計中，采用直角坐標和關節(jié)坐標相結合的框架式機械結構形式，這種方式能

15、夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和操作靈活性。傳動裝置是將驅動元件的動力傳遞給機器人機械手相應的執(zhí)行機構，以實現(xiàn)各種必要的運動，傳動方式上采用結構緊湊、傳動比大的蝸輪蝸桿傳動和將旋轉運動轉換為直線運動的螺旋傳動。機械手驅動系統(tǒng)的設計往往受到作業(yè)環(huán)境條件的限制，同時也要考慮價格因素的影響以及能夠達到的技術水平。由于步進電機能夠直接接收數(shù)字量，響應速度快而且工作可靠并無累積誤差，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)驅動機構的動力元件，因此，在驅動裝置中采用由步進電機構成的

16、開環(huán)控制方式，這種方式既能滿足控制精度的要求，又能達到經(jīng)濟性、實用化目的，在此基礎上，對步進電機的功率計算及選型問題經(jīng)行了分析。</p><p>　　關鍵詞：機械手 自由度 電機 執(zhí)行機構 </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The manipulator is mainly composed o

17、f the hand and the motion. The hand is uses for to grasp holds the work piece (or tool) the part, according to is grasped holds the thing shape, the size, the weight, the material and the work request has many kinds of s

18、tructural styles, like the clamp, the request hold and the adsorption and so on. The motion, causes the hand to complete each kind of rotation (swinging), the migration or the compound motion realizes the stipulation mov

19、ement, changes is graspe</p><p>　　In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexi

20、bility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism tra

21、nsmits the rotary motion into linear motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transm</p><p>　　Key words：manipulator; degree-of-freedom; motor; implement department</p><p>

22、<b>　　第一章 前言</b></p><p>　　1.1工業(yè)機械手概述</p><p>　　機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術進步和經(jīng)濟效益有很大和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和

23、科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。</p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的特點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。</p>

24、<p>　　機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術領域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲倦，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣

25、泛的得到了應用。</p><p>　　機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。</p><p>　　1.2 機械手的組成和分類</p><p>　　1.2.1機械手的組成</p><p>　　工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)所組成，如圖1-1所示。</p>&

26、lt;p>　　a. 執(zhí)行機構：執(zhí)行機構由抓取部分（手部），腕部，肩部和行走機構等運動部件組成。 </p><p>　　b. 驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。</p><p>　　控制系統(tǒng)：有點動控制和連續(xù)控制兩種方式，大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序，主要控制的是坐標位置

27、，并注意其加速度特性。</p><p>　　基體（機身）：基體是整個機械手的基礎。</p><p>　　圖1-1 工業(yè)機械手各部分的組成</p><p>　　1.2.2機械手的分類</p><p>　　機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各種規(guī)定的操

28、作。它的特點是具備普通的機械性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。他起源于原子、軍事工業(yè)，首先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工作中采用的鍛造操作機也屬于之一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件輸送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數(shù)以外，工作程序

29、一般是固定的，因此是專用的。</p><p>　　在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手屬于第三類機械手。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況</p><p>　　1.3.1機械手發(fā)展歷史</p><p>　　機械手是首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機

30、體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。</p><p>　　1963年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教在現(xiàn)行機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、仰俯、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。<

31、/p><p>　　1962年美國機械制造公司也試驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)性。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。</p><p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)

32、，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。</p><p>　　聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。</p><p>　　日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。</p><p>　　前蘇聯(lián)自六

33、十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一般是進口。目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。</p><p>　　第二代機械手正在加緊研制。他沒有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。</p><p>　　第三代機械手則能獨立完成工

34、作過程中的人物。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。</p><p>　　1.3.2機械手發(fā)展趨勢</p><p>　　目前工業(yè)機械手主要用于機械加工、鑄造、熱處理、等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。</p><p>　　在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的

35、機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研究示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構建，如伸縮、擺動、升降、橫移、仰臥等機構以及根據(jù)不同類型的夾緊裝置，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的夾緊裝置，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。&l

36、t;/p><p>　　此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺和視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。</p><p>　　在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，他可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的作業(yè)。</p><p>　　此外，國外機械手的發(fā)展

37、趨勢是大力研制某種智能機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，既能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能，目前已經(jīng)取得一定成績。</p><p>　　視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行操作。</p>

38、<p>　　觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。</p><p>　　更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀

39、態(tài)。</p><p>　　1.4本論文研究的內(nèi)容及意義</p><p>　　隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。</p><p>　　近20年來，氣動技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可

40、靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。 </p><p>　　從各國的行業(yè)統(tǒng)計資料來看，近30多年來，氣動行業(yè)發(fā)展很快。20世紀70年代，液壓與氣動元件的產(chǎn)值比約為

41、9:1，而30多年后的今天，在工業(yè)技術發(fā)達的歐美、日本等國家，該比例已達到6:4，甚至接近5:5。我國的氣動行業(yè)起步較晚，但發(fā)展較快。從20世紀80年代中期開始，氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20%以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一。</p><p>　　本畢業(yè)設計中，設計的主要內(nèi)容是多自由度

42、鋁合金機械手，能夠實現(xiàn)三個關節(jié)的運動，采用電機與氣缸相結合的控制方法。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。而在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。</p><p>　　第二章 工

43、業(yè)機器人的總體設計</p><p>　　本課題是輕型平動搬運機械手的設計。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，因此對機械手的坐標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。</p><p>　　2.1機械手基本形式的選擇</p><p>　　常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下幾種：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）球坐標

44、型機械手；（4）多關節(jié)型機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。</p><p>　　2.2機械手的主要部件及運動</p><p>　　在圓柱坐標型機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有3個自由度：手抓張合、手臂伸縮和機身回轉。</p><p>　　本設計機械手主要由3大部件

45、和2個氣缸組成：（1）手部：采用一個直線氣缸，通過機構運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）臂部：采用一個直線氣缸來實現(xiàn)手臂的升降。（3）機身：采用一個電機帶動止推軸承來實現(xiàn)手臂的回轉。</p><p>　　2.3驅動機構的選擇</p><p>　　驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分，工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。驅動件主要有四種：氣動驅動、電氣驅動、機械驅動和液壓驅動。其

46、中以液壓、氣動用的最多，占90%以上；電動、機械驅動用的較少。</p><p>　　氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。通用機械手則

47、考慮采用同一種形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。</p><p>　　機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。</p><p>　　液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液

48、壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。</p><p>　　采用氣壓機構驅動機械手，結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便、驅動力大等優(yōu)點，因此本設計中機械手的驅動采用氣壓和電動。圖2-1為機械手的運動控制路線圖。</p><p>　　圖2-1 機械手的運動控制流程圖</p><p

49、>　　由于氣缸只能承受軸向力，而不能承受徑向力，所以氣缸在運動過程中需要有固定元件進行固定，以消去徑向力的影響。在本設計中，采用了一個軸，軸的一端鉆一個螺紋孔，把氣缸的活塞桿與軸的內(nèi)螺紋孔連接緊后，用活塞桿的力推動機械手運動。</p><p>　　氣缸選定之后采用腳座固定，固定于底盤上，圖2-2為底盤的形狀。</p><p><b>　　圖2-2 底盤</b>&

50、lt;/p><p>　　2.4機械手的技術參數(shù)指標</p><p>　　一、用途：用于車間搬運</p><p><b>　　二、設計技術參數(shù)：</b></p><p>　　1、抓重：20㎏（夾持式手部）</p><p>　　2、自由度數(shù)：3個自由度</p><p>　　3、坐標

51、型式：圓柱坐標</p><p>　　4、最大工件半徑：90㎜</p><p>　　5、手臂最大中心高：30 ㎜</p><p><b>　　6、手臂運動參數(shù)</b></p><p>　　伸縮速度：0.2m/s</p><p>　　旋轉速度：3.2 r/min</p><p>

52、;　　第三章 機械手的機械系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1手部設計基本要求：</p><p>　　1、應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。應當考慮在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。</p><p>　　2、手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度）△γ，以便于抓取工件。</p>&l

53、t;p>　　3、要求結構緊湊、重量輕、效率高。在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能是結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。</p><p>　　3.2典型的手部結構</p><p>　　1、回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種</p><p>　　2、移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動</p><p><b>　

54、　3、平面平移型</b></p><p>　　3.3機械手手抓的設計計算</p><p>　　3.3.1選擇機械手手抓的類型及夾緊裝置</p><p>　　本設計是設計平動搬運型機械手，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張開角△γ=，夾取重量為20㎏。常用的工業(yè)機械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物

55、體，不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指，夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結構簡單，適于夾持平板方料，且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置，其理論夾持誤差為零。若采用典型的平移型手指，驅動力需加在手指移動方向上，這樣會使結構變得復雜且體積龐大，顯然是不適合的，因此不選這種類型。</p><p>　　通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽

56、杠桿這種結構方式。</p><p>　　3.3.2手抓的力學分析</p><p>　　在進行手部設計時，要對手部進行受力分析，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 手抓的受力分析圖</p><p>　　在上圖中，1為手指，2為銷軸，3為杠桿。</p><p>　　在杠桿3的作用下，銷軸3受到向上的拉力F，并通

57、過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的作用力為F和F,其力的方向垂直于滑槽的中心線OO和OO，</p><p>　　由∑F=0 得 F=F</p><p>　　∑F=0 得 F=</p><p><b>　　F=－F′</b></p><p>　　由∑M（F）=0 得F′=</p><

58、;p><b>　　∵h=</b></p><p><b>　　∴F=</b></p><p>　　式中 a——手指的回轉中點到對稱中心的距離（㎜），</p><p>　　——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角</p><p>　　由分析可知，當驅動力F一定時，角增大，則握力F也隨之

59、增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=30°～40°。</p><p>　　3.3.3夾緊力及驅動力的計算</p><p>　　手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。</p>&l

60、t;p>　　手指對工件的夾緊力可按公式計算：F≥KKG</p><p>　　式中 K——安全系數(shù)，通常1.2～2.0</p><p>　　K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K可近似按下式計算：K=1+，其中=</p><p>　　——運載時工件最大上升速度</p><p>　　——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03～0.

61、5s</p><p>　　G——被抓取工件所受的重力（N）</p><p>　　計算：設a=50mm，b=200mm，10°≤≤40°，機械手達到最高響應時間為0.5s，v=0.2m/s求夾緊力F和驅動力F。</p><p>　　解：（1）設K=1.5</p><p>　　K=1+1+=1.04</p>&l

62、t;p>　　根據(jù)公式將已知條件帶入：</p><p>　　∴F=1.5×1.04×10×9.8=152.86 N</p><p>　?。?）根據(jù)驅動力公式得：</p><p>　　F=30°152.86 N=917.28 N</p><p>　　（3）取η=0.85</p><

63、p>　　F==1079.15 N</p><p>　　3.3.4手抓夾持范圍計算</p><p>　　為了保證手抓張開角為60°，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長200mm，如圖3-2所示。當手抓沒有張開角的時候，如圖(a)所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑R=40mm，當張開角60°時，如圖（b）所示，最大夾持半徑R計算如下：</p>

64、<p><b>　　R=≈121mm</b></p><p>　　∴機械手的夾持半徑從40mm～121mm。</p><p>　　圖3-2 機械手的夾持精度圖</p><p>　　3.4銷軸的選擇與校核</p><p>　　銷軸的材料為45鋼，許用切應力=80MPa，許用擠壓應力=120MPa，選取銷軸的型

65、號為GB/T 882 870</p><p>　　銷軸的抗剪強度公式：</p><p>　　銷軸的抗壓強度公式：</p><p>　　抗剪強度=10.7MPa</p><p>　　抗壓強度=1.3MPa ，因此銷軸合適。</p><p>　　設計完手部結構后，將手部的部件進行裝配，裝配圖如圖3-3所示。</p&g

66、t;<p>　　圖3-3 機械手手部裝配圖</p><p>　　第四章 機械手驅動裝置的選擇</p><p>　　4.1機械手夾緊氣缸的選擇</p><p>　　氣缸一般分為單作用氣缸和雙作用氣缸兩類。</p><p>　　單作用氣缸的特點是：（1）缸內(nèi)安裝彈簧、膜片等，一般行程較短；與相同體積的雙作用氣缸相比，有效行程小一些

67、；（2）用彈簧力或膜片力等復位，壓縮空氣能量的一部分用于克服彈簧力或膜片張力，因而減小了活塞桿的輸出力；（3）僅一端進（排）氣，結構簡單，耗氣量??；（4）氣缸復位彈簧、膜片的張力均隨變形大小變化，因而活塞桿的輸出力在行進過程中是變化的。由于以上特點，單作用活塞氣缸多用于短行程。其推力及運動速度均要求不高場合，如氣吊、定位和夾緊等裝置上。單作用柱塞缸則不然，可用在長行程、高載荷的場合。</p><p>　　雙作用氣

68、缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實現(xiàn)雙向運動的氣缸。其結構可分為雙活塞桿式、雙活塞式、單活塞桿式、緩沖式和非緩沖式等。此類氣缸使用最為廣泛。雙活塞桿雙作用氣缸有缸體固定和活塞桿固定兩種。缸體固定時，其所帶載荷與氣缸兩活塞桿連成一體，壓縮空氣依次進入氣缸兩腔（一腔進氣另一腔排氣），活塞桿帶動工作臺左右運動，工作臺運動范圍等于其有效行程的3倍。安裝所占空間大，一般用于小型設備上。活塞桿固定時，為管路連接方便，活塞桿制成空心，缸體與載荷連成一體

69、，壓縮空氣從空心活塞桿的左端或右端進入氣缸兩腔，使缸體帶動工作臺向左或向左運動，工作臺的運動范圍為其有效行程的2倍。適用于中、大型設備。</p><p>　　本設計中機械手的夾緊和上升采用氣缸控制，而手臂的旋轉采用電機控制。</p><p>　　4.1.1氣缸直徑D的計算</p><p>　　氣缸的工作壓力在0.6～0.8Mpa內(nèi)，取p=0.6Mpa，</p&

70、gt;<p>　　活塞桿直徑d=0.5D</p><p><b>　　∵F=</b></p><p><b>　　∴D==</b></p><p><b>　　=55.26㎜</b></p><p>　　選取氣缸標準內(nèi)徑為：D=63 ㎜</p>&l

71、t;p>　　則活塞桿內(nèi)徑為d=63×0.5=31.5 ㎜，選取d=32 ㎜。</p><p>　　4.1.2確定氣缸的型號</p><p>　?。?）氣缸作用力的計算</p><p>　　F= p×=1387 N＞F</p><p><b>　　因此氣缸的直徑合適</b></p>

72、<p>　?。?）氣缸行程的確定</p><p>　　由于=30°，當爪部轉動30°時，兩連接桿水平，所以氣缸的行程為s=a×tan30°=28.86㎜，</p><p>　　連桿中導軌可運動的長度為L=-=7.8㎜</p><p>　?。?）選擇氣缸 </p><p>　　由D=63 ㎜

73、，s=28.86 ㎜，p=0.8Mpa選擇氣缸的型號為CA1BN63-50</p><p>　　4.2機械手上升氣缸的選擇</p><p>　　4.2.1手部重量的估算</p><p>　　由于上升氣缸支持著氣缸以上的所有工件的重量，因此選擇此氣缸應先估算氣缸以上的所有工件的重量。</p><p>　　取鋁合金的密度為2.7g/cm,手部的質

74、量為：22.7 g/cm[106.42.3+1.2 </p><p>　　1.6+（10.7+12.5）1.8+8.22-3.112]cm=1.31㎏</p><p>　　手部與氣缸之間的連接部件的重量為：7.85 g/cm[8.712.52+6912.6 </p><p>　　+6122]=5.89㎏</p><p>　　氣缸的重量為：1.

75、5㎏</p><p>　　與氣缸和機械手相連的底部托盤的重量為：7.85g/cm17.512.51=1.72㎏</p><p>　　軸的重量為：7.85g/cm </p><p>　　(3.149.95-15153+3.1496.6+3.142.51+3.143=22㎏</p><p>　　軸承的重量為：18.1㎏</p>&l

76、t;p>　　與下氣缸相連的底盤的重量為：2.7g/cm（3.141920-3.1415.117）=28.35㎏</p><p>　　抓取物品的重量為20㎏</p><p>　　4.2.2確定氣缸的型號</p><p>　　氣缸上部的總重量為1.31+5.89+1.5+22+20=50.7㎏</p><p>　　作用于氣缸上的力為F=Km

77、g=1.04527.28N</p><p>　　機械手上升的高度為30 ㎜ </p><p>　　因此選擇氣缸的型號與水平放置氣缸的型號相同，為CA1BN63-50</p><p>　　4.2.3氣缸控制回路原理圖</p><p>　　在4-1為氣缸的控制回路原理圖，1——氣馬達；2——總閥；3——分水濾氣器；4——油霧器；5——單向閥；6

78、、7——調速閥；8、9——三位四通換向閥；10、11——氣缸</p><p>　　圖4-1 氣缸控制回路原理圖</p><p><b>　　4.3電機的選擇</b></p><p>　　4.3.1電機的類型及特點</p><p>　　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。通俗一點講：當步進驅動器接收到一個脈沖信號

79、，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（及步進角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。步進電機分三種：永磁式（PM） ，反應式（VR）和混合式（HB）。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.5度 或15度；反應式步進一般為三相，可實現(xiàn)大轉矩輸出，步進角一般為1.5度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年

80、代已被淘汰；混合式步進是指混合了永磁式和反應式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相：兩相步進角一般為1.8度而五相步進角一般為 0.72度。這種步進電機的應用最為廣泛。</p><p>　　伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。</p>

81、<p>　　同步電機分為同步發(fā)電機和同步電動機?，F(xiàn)代發(fā)電廠中的交流機以同步電機為主。同步電機的主要運行方式有三種，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。 作為發(fā)電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調節(jié)，在不要求調速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。 同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這

82、時電機不帶任何機械負載，靠調節(jié)轉子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。</p><p>　　4.3.2電機的選擇</p><p>　?。?）各部件轉動慣量的估算</p><p>　　抓取零件的轉動慣量：J=20㎏0.39=3.04㎏</p><p>　　手部的轉動慣量：J=1.31㎏

83、0.36=0.17㎏</p><p>　　連接部件的轉動慣量：J=2.02㎏0.14=0.04㎏</p><p>　　與氣缸和機械手相連的底部托盤的轉動慣量：J=7.85g/cm35.135.14（0.35+0.35）=0.79㎏</p><p>　　軸的轉動慣量：J=0.08㎏</p><p>　　氣缸的重量和尺寸比較小，轉動慣量可忽略&l

84、t;/p><p>　　所以總轉動慣量為J= J+ J+ J+ J+ J=4.12㎏</p><p><b>　?。?）選擇電機</b></p><p>　　本設計中采用斜齒-傘齒減速電機，其輸出轉速為3.2 r/min。</p><p>　　計算：已知電機效率為=0.75，物體的總轉動慣量為J=4.12㎏，物體的轉速為n=3

85、.2r/min，求電機的功率和扭矩。</p><p>　　解：由P得P===73.97 W </p><p>　　選取KA47R37DR63S4型號的電機，其功率為0.12kw，輸出轉速為n=3.2r/min，最大額定轉矩T=290N，m=32㎏</p><p>　　電機的實際轉矩T=9549=9549=20.89 N＜T，因此電機合適。</p>&

86、lt;p>　?。?）聯(lián)軸器的型號的選擇</p><p>　　電機與軸之間采用聯(lián)軸器，由國標GB/T3852-1997選擇聯(lián)軸器的型號為YL3型凸緣聯(lián)軸器，重量為1.99㎏</p><p><b>　　4.4軸承的選擇</b></p><p>　　4.4.1軸承的類型及特點</p><p>　　一、深溝球軸承的特點：

87、（1）在結構上深溝球軸承的每個套圈均具有橫截面大約為球周長的三分之一的連續(xù)溝型滾道。它主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷；（2）在軸承的徑向游隙增大時，具有角接觸球軸承的性質，可承受兩個方向交變的軸向載荷；（3）摩擦小，轉速高；（4）結構簡單，制造成本低，容易達到較高的制造精度；（5）一般采用沖壓浪形保持架，內(nèi)徑大于200mm或高速運轉的軸承，采用車制實體保持架。</p><p>　　二、角接觸球軸承的

88、特點：可同時承受徑向負荷和軸向負荷，轉速較高，接觸角越大，軸向承載能力越高。單列軸承只能承受一個方向的軸向負荷，在承受徑向負荷時，將引起附加軸向力。 并且只能限制軸或外殼在一個方向的軸向位移。若是成對雙聯(lián)安裝，使一對軸承的外圈相對，即寬端面對寬端面，窄端面對窄端面。這樣即可避免引起附加軸向力，而且可在兩個方向使軸或外殼限制在軸向游隙范圍內(nèi)。角接觸球軸承的變型結構多達70多種。（1）名義接觸角有15°、 25°、 40

89、°三種，接觸角越大軸向承載能力越高。高精度和高速軸承通常取15°接觸角，在軸向力作用下，接觸角會增大；（2）一般為內(nèi)圈或外圈帶鎖口，內(nèi)、外圈不可分離。外圈加熱膨脹后與內(nèi)圈、滾動體、 保持架組件裝配。裝球數(shù)比深溝球軸承多，額定負荷在球軸承中最大，剛性強，運轉平穩(wěn)；（3）可以利用內(nèi)、外圈相互位移調整徑向游隙。常成對使用，并施加預負荷，以提高軸承剛性。</p><p>　　三、 圓柱滾子軸承的特點：

90、（1）滾子與滾道為線接觸，徑向承載能力大，適用于承受重負荷與沖擊負荷；（2）摩擦系數(shù)小，適合高速，極限轉速接近深溝球軸承；（3）N型及NU型可軸向移動，能適應因熱膨脹或安裝誤差引起的軸與外殼相對位置的變化，可作自由端支承使用。內(nèi)圈或外圈可分離，便于安裝和拆卸；（4）對軸和座孔的加工要求較高，軸承安裝后內(nèi)外圈軸線相對偏斜要嚴加控制，以免造成接觸應力集中；（5）內(nèi)孔帶1：12錐度的雙列圓柱滾子軸承，徑向游隙可以調整，徑向剛度高，適應于機床主

91、軸。</p><p>　　4.4.2軸承的選擇</p><p>　　在本設計中軸承需要承受很大的軸向力，所要承受的徑向力十分的小，因此選用了止推軸承和角接觸球軸承，而角接觸球軸承公稱接觸角為40°，可以承受很大的軸向力，采用角接觸球軸承的型號為7236AC。其外形如圖4-2所示。</p><p><b>　　圖4-2 軸承</b>&l

92、t;/p><p><b>　　4.5軸的設計</b></p><p>　　在選定好軸承后，電動機輸出地功率需要通過軸承與軸的連接傳遞到機械手，因此需要對軸進行設計。</p><p>　　由于在本設計中軸只承受軸向力和扭轉，不承受徑向力，因此只需要對軸的扭轉進行校核。當軸的直徑最小處滿足扭轉條件時，整根軸就滿足扭轉條件。</p><

93、;p>　　抗扭截面系數(shù)W===134610 m</p><p>　　軸的最大切應力為===15.5MPa</p><p>　　由于軸的材料為45鋼，=60MPa，所以，故此軸合適。</p><p>　　圖4-3是設計的軸的形狀。</p><p><b>　　圖4-3 軸</b></p><p&g

94、t;　　第五章 總結與展望</p><p>　　此次我們做的畢業(yè)設計是工業(yè)機械手結構的設計，通過3個多月努力，設計終于順利完成。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。</p><p>　　在此次的畢業(yè)設計中，我們遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過指導教師的指導和我們的努力，這些問題都得到了很好的解決。</p><p&

95、gt;　　雖然我們設計的只是個簡單的機械手，但需要完成抓取，旋轉等功能，對應分別要有抓取機構，旋轉機構等來實現(xiàn)。通過這些機構的設計，使理論知識與實際相結合，鞏固和深化了所學過的專業(yè)理論知識。由于此次設計是次創(chuàng)新設計，為了設計的機械手具有合理的結構和更高的性能，我們不斷學習和修改。自學了許多相關學科的內(nèi)容，求教了多位專業(yè)老師，上網(wǎng)或查閱大量相關資料。</p><p>　　畢業(yè)設計過程中，我們在獨立完成的同時也進一步

96、加強了團隊協(xié)作精神，取得了一定的成績。通過這次畢業(yè)設計，我相信在以后的學習和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應工作和社會激烈的競爭。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]Craig, John J.Introduction to robotics[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.</p>

97、<p>　　[2]Basilio Bona，Aldo Curatella.Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers Design[C]. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation.

98、 Barcelona.Spain, April 2005.</p><p>　　[3]索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993. </p><p>　　[4]周伯英.工業(yè)機器人設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.</p><p>　　[5]王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981.</p><

99、p>　　[6]三浦宏文.機電一體化實用手冊[M].科學出版社，2001.</p><p>　　[7]郭洪紅，賀繼林，田宏宇等.工業(yè)機器人技術[M].西安電子科技大學出版社，2006.</p><p>　　[8]顧京.數(shù)控加工編程及操作[M].北京：高等教育出版社，2003.</p><p>　　[9]姜繼海，宋錦春，高常識.液壓與氣動傳動[M].第二版.北京：

100、高等教育出版社，2002.</p><p>　　[10]液壓元件樣本[M].機械工業(yè)出版社.</p><p>　　[11]岑軍鍵.非標準機械設計手冊[M].國防工業(yè)出版社，2008.</p><p>　　[12]理論力學[M].第六版.高等教育出版社，2002.</p><p>　　[13]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第七版.北京：高等教

101、育出版社，2001.</p><p>　　[14]駱素君，朱詩順.機械課程設計簡明手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　[15]孫燕華.AutoCAD2000機械制圖[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　[16]左建民.液壓與氣壓傳動[M].第二版.北京：機械工業(yè)出版社，1999.</p><p

102、>　　[17]沈?？?嚴武升,楊庚辰.電機與電器[M].北京理工大學出版社，2002.</p><p>　　[18]盧頌峰.機械設計課程設計手冊[M].第一版.中央廣播電視大學出版社，1998.</p><p>　　[19]吳宗澤.機械設計[M].第一版.中央廣播電視大學出版社，1998.</p><p>　　[20]金大鷹.機械制圖[M].北京：機械工業(yè)出版

103、社，2001.</p><p>　　[21]楊黎明.機械零件設計手冊[M].第一版.國防工業(yè)出版社，1986.</p><p>　　[22]柴鵬飛.機械設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[23]陳立德.機械設計基礎課程設計指導書[M].第二版.北京：高等教育出版社，2004.</p><p>　　[24]劉

104、鴻文.材料力學 [M].北京：高等教育出版社，2004.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了xx老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了xx老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將

105、永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。在此我們向xx老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經(jīng)歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的幫助。</p><p>　　感謝機械工程學院的領導和老師對我的關心和幫助。</p><p>　　再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老