三自由機械手的畢業(yè)設(shè)計

1、目 錄前沿1第一章 機械手的總體設(shè)計21.1 確定設(shè)計方案21.2 主要技術(shù)參數(shù)21.3 機械手結(jié)構(gòu)組成3第二章 手指設(shè)計52.1 設(shè)計時要注意的問題52.2 被夾取零件尺寸及重量的計算52.3 夾緊力的計算5第三章 腕關(guān)節(jié)的設(shè)計83.1 腕關(guān)節(jié)所選擇的形式83.2 驅(qū)動方式的比較83.3 汽缸的設(shè)計83.4 氣源的選擇9第四章 小臂的設(shè)計104.1 設(shè)計時注意的問題104.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計104.3 小軸的設(shè)計計算114.4 軸承的選擇124.5 軸承摩擦力矩的計算124.6 驅(qū)動選擇13第五章 大臂的設(shè)計計算155.1 大臂總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計155.2 大軸的設(shè)計計算165.3 軸承的選擇1

2、65.4 軸承摩擦力矩的計算175.5 驅(qū)動系統(tǒng)的選擇18第六章 機身的設(shè)計196.1 設(shè)計機身時注意的問題196.2 運動要求196.3 機身的固定19致謝20參考文獻21前言機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。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，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化

3、的有機結(jié)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(fù)工作和勞動，不知疲勞，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，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，尤其在自動流水線上，零件的加工和搬運都可能用到機械手。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(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，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。它起源于原子、軍事工業(yè)，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

4、行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。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送。這種機械手在國外稱為“mechanical hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。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是屬于第三類機械手。1、簡史機械手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(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型

5、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(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機械手就是在這個基礎(chǔ)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。1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。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(chǔ)。1978年美國unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)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)，

6、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(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。聯(lián)邦德國knka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)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。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。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。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)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。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺

7、機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)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)。2、 應(yīng)用簡況現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單

8、機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。3、 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、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。在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各

9、運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)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。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、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。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)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)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研

10、制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，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。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）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工作。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(diào)整握力的大小。總

11、之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。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(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。第一章 機械手的總體設(shè)計1.1 確定設(shè)計方案機械手是一種模仿人手部分動作,按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡或其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或者操縱工具的自動化裝置。1.1.1機械手設(shè)計原則總體設(shè)計的任務(wù)：包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計及參數(shù)計算。總體設(shè)計后要進行各部件的強度、剛度、驅(qū)動力驗算。1、運動設(shè)計及確定主要要求手架能作任何角度的伸縮和轉(zhuǎn)動2、驅(qū)動方式：液壓、氣壓驅(qū)動該機械手是獨立的自動化機械裝置。3、通用性高，機械手結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。手臂

12、可作前后伸縮、上下升降和水平左右擺動三個動作，手臂可以繞z軸轉(zhuǎn)動360度4、按驅(qū)動方式分為聯(lián)合驅(qū)動，電力驅(qū)動，液壓驅(qū)動。5、按臂力大小來說是中型機械手。1.1.2 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機械手; (4)多關(guān)節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標(biāo)型機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶a上的物品搬運到傳送帶b。1.1.2機械手的主要部件及運動本設(shè)計機械手主要由4個大部件和液壓

13、缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。1.1.3驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)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(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅(qū)動方案選擇液壓驅(qū)動。本課題是輕型平動搬運機械手的設(shè)計及運動仿真。本設(shè)計主要任務(wù)是完成

14、機械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及adams軟件進行簡單的運動仿真。在本章中對機械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機構(gòu)等進行了確定。因此，在機械手的執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)，然后通過adams軟件對機械手的手部進行簡單的運動仿真。1.2 主要技術(shù)參數(shù) 1、抓重:60kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù):3個自由度 3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo) 4、手臂分大小臂5、最大工作半徑:1600mm 6、手臂最大中心高:1248mm 7、手臂運動參數(shù) 伸縮行程：1200mm 伸縮速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s8、手腕運動參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 0360 1.3 機械手結(jié)構(gòu)組成工業(yè)機械

15、手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。1.3.1 執(zhí)行機構(gòu)（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再

16、增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基

17、本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。1.3.2 驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.3.3 控制系統(tǒng)分類在機械手

18、的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。第二章 手指設(shè)計工業(yè)機器人的手又稱為末端執(zhí)行器，它是機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手等。本文設(shè)計對象為物料搬運機器人，并不需要復(fù)雜的多指人

19、工指，只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指2.1 設(shè)計時要注意的問題機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長。機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手設(shè)計時的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有以下幾點：(1)驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；(2)反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；(3)驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要?。?4)安全可靠；對環(huán)境無污染，噪聲要??；(5)操作和維護方便；(6

20、)經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積?；谏鲜鲵?qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計要求，本文選用步進電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。2.2 被夾取零件尺寸及重量的計算擬定物料搬運機器人手部最大抓取重量為8kg，其夾角為31度。根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，最終采用如圖3所示結(jié)構(gòu)。手部機架采用鑄鋼鑄造，其摩擦系數(shù)，重力加速度取。夾緊時由力學(xué)關(guān)系可以得到公式：，從而得到夾緊力由公式，知所需的驅(qū)動力夾緊機構(gòu)采用絲杠傳動原理傳送夾緊力，擬定絲杠的大徑，螺距設(shè)為，牙型角為的梯形普通螺紋2.3夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)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

21、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)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 g被抓取工件所受重力（n）。第三章 腕關(guān)節(jié)的設(shè)計3.1 腕關(guān)節(jié)所選擇的形式機械手的手腕連接于手和手臂之間,用于調(diào)整手的方向.此機械手能旋轉(zhuǎn)任何角度,所以手腕能分別獨立的繞x、y、z軸向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動即實現(xiàn)手腕的任何角度的伸縮和轉(zhuǎn)動

22、. 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用氣動驅(qū)動。3.2 驅(qū)動方式的比較表1 三種驅(qū)動方式的特點對照內(nèi) 容驅(qū) 動 方 式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140pa大，壓力范圍為4860pa較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制?？刂凭雀?，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。響應(yīng)速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小。伺服電動機易于標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除dd電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題。安全性防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險。防爆性能好，高于1000kpa時應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性。設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性