机械毕业设计（论文）-机械手模型设计及制作【全套图纸】

编编 号号 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 机械手模型设计及制作机械手模型设计及制作 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 机械手模型设 计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其 内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢 的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已 发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923130 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 机械手模型设计及制作 2、专题 机械手模型设计 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 题目来源于教学产品制作。在工业上，机器人是用作运输或 操作从前属于人工作业的一种设备，越来越多的日常事务也可以在机 器人的协助下完成。教学用机械手模型，虽然不像工业机器人那么复 杂，但仍包含很重要的技术成分，例如它能实现空间坐标系三根轴向 上的运动。这一特征使通过多种方法控制其运动成为可能，机器人还 有“夹钳”这一非常典型的机构。 设计技术参数： 1抓重：10 千克 2自由度数：4 个自由度 3座标型式：圆柱型座标 4最大工作半径：1000mm 5手臂最大中心高：1380mm 6手臂运动参数：伸缩行程 400mm；伸缩速度 50mm/s；升降行 程 200mm；升降速度 50mm/s；回转范围 00-2400；回转速度 900/s 7手腕运动参数：回转范围 00-1800；回转速度 1800/s 8定位精度：0. 5mm 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 收集相关设备资料，进行一种四自由度机械手模型的设计制作； II 它包括总体结构、机械传动系统和伺服控制系统。该模型具有结构 简单、控制灵活、调整方便、性能稳定等特点； 完成机械手模型设计，绘制产品装配图，建议用 A0 标准图幅； 完成非标准零件设计图纸。建议用 A3 标准图幅； 设计说明书一份； 翻译 8000 以上外文印刷字符或译出 4000 汉字以上的有关技术资 料或专业文献。 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系系 主任主任 签名签名 III 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘要摘要 科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动 化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了 新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手 有着深远的科教意义。 本课题设计的教学型搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械 结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、 伸缩和手腕、手臂的回转。设计中分析了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过气 压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转。设计的机械 手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象， 达到教学演示的目的。 关键词关键词: 机械手；气动装置；四自由度；控制系统 IV Abstract Scientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance. The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robots overall design, robot mechanical structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumatic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching demonstration. Keywords: Manipulator； Pneumatic device； Four Degrees of Freedom； The control system V 目目 录录 1 绪论.1 1.1 机械手概述.1 1.2 机械手的组成和分类.1 1.2.1 机械手的组成1 1.2.2 机械手的分类4 1.3 国内外发展状况.5 1.4 课题研究的主要内容6 1.5 教学用机械手的功能要求及现实意义6 1.5.1 教学用机械手的功能要求.6 1.5.2 教学用机械手的现实意义.6 2 机械手的设计方案.7 2.1 机械手的座标型式与自由度.7 2.1.1 机械手的坐标型式.7 2.1.2 机械手的自由度.8 2.2 机械手的手部结构方案设计.8 2.3 机械手的主要参数.10 2.4 机械手的技术参数列表.11 3 机械手机械系统设计.12 3.1 手部结构设计12 3.1.1 设计时考虑的几个问题.12 3.1.2 手爪夹持装置的机构选型12 3.1.3 手部夹紧气缸的设计.13 3.2 手腕结构设计17 3.2.1 手腕的自由度18 3.2.2 手腕的驱动力矩的计算18 3.3 手臂结构设计22 3.3.1 手臂伸缩与手腕回转部分22 3.3.2 手臂升降和回转部分24 3.3.3 手臂升降气缸的设计24 3.3.4 手臂回转缸体的设计27 4 机械手气压系统的设计.29 4.1 气压传动系统工作原理图29 4.2 气动元件介绍29 5 机械手控制系统设计.33 5.1 控制系统的结构分类.33 5.2 控制方式.33 VI 5.3 机械手的控制34 6 结论与展望.36 致谢.37 参考文献.38 机械手模型设计及制作 1 1 绪论绪论 1.1 机械手概述机械手概述 机器人由操作机(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、交通运输业等方面得到越来越广泛的引 用。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，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。 1.2 机械手的组成和分类机械手的组成和分类 1.2.1 机械手的组成机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统 相互之间的关系如方框图 1-1 所示。 控制系统驱动系统被抓取工件执行机构 位置检测装置 无锡太湖学院学士学位论文 2 图 1.1 机械手的组成方框图 (1)执行机构1 它包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1)手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。 夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的 手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，构件制造容易，故应用较广泛。 平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变 化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。 手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及 尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内卡式;指数有双指式、 多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的 有:连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等。 吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸 附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。 对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气 流负压式和真空泵式。 对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸 料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。 用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物 件形状、尺寸和重量大小而定。 2)手腕 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)。 3)手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件， 并按预定要求将其搬运到指定的位置。机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、 气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机 等)相配合，以实现手臂的各种运动。3 手臂可能实现的运动如下: 手臂运动 基本运动 复合运动 直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动) 两直线运动的组合(即平面运动) 回转运动:如水平回转、左右摆动运动 直线运动:如伸缩、升降、横移运动 两回转运动的组合(即空间曲面运动)。 机械手模型设计及制作 3 手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以 保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以 及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。 导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱和四圆柱等导向型式。 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，手臂的回转运动和升降(或俯 仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时 也可作横向移动，即称为可移式立柱。14 5)行走机构 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、 轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨 的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。1 6)机座 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上， 故起支撑和连接的作用。13 (2)驱动系统 驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和 辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形 式。 （3）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前机械手的控制系统一 般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统一般采用电气控制， 它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给于机械手的指令信息(如动作顺序、运 动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对 机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。12 (4)位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统， 并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度 达到设定位置。 1.2.2 机械手的分类机械手的分类 机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按 使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (1)按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1)专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有 动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，经常用在如自动机床、 无锡太湖学院学士学位论文 4 自动线的上、下料机械手和加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。6 2)通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可 在不同场合使用，驱动系统和在各性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立 的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中 小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关” 式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可 以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 (2)按驱动方式分 1)液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以 上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手 的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系 统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油 液过滤要求严格，成本高。2 2)气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介 质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有 可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公 斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和 粉尘大的环境中进行工作。2 3)机械传动机械手 即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一 种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它主要特点是运动准确 可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。 4)电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机 械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度 快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。6 (3)按控制方式分 1)点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制 其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用 和通用工业机械手均属于此类。9 2)连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处 于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这 类机械手一般采用小型计算机进行控制。 机械手模型设计及制作 5 1.3 国内外发展状况国内外发展状况 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1)机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格 不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 65 万美元。15 (2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测 系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配 机器人产品问市。 (3)机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器 件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作 性和可维修性。9 (4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外， 装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力 觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产 品化系统中已有成熟应用。 (5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 (6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器 人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器 人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应 用的最著名实例。 (7)机器人化机械开始兴起。从 94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已 成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年 代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下通过“七五”、 “八五”科技攻关，目前己基本 掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规 划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器 人;其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线(站)上获得规 模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人 技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用 工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安 装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有 形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求， “一客户，一次重新设计”， 品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可 靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系 列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在 “863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无 缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬 壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用 无锡太湖学院学士学位论文 6 上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加 局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起 步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形 成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十二五”中立于世界先进行列之中。 1.4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容 本课题主要研究了国内外机械手发展的现状，阐述了教学型机械手的功能要求和现 实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉了机械手的运动机理。在现有机械 手技术基础上，确定了教学型搬运机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单 的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并 对机械手的控制技术进行了一定的阐述。 1.5 教学用机械手的功能要求及现实意义教学用机械手的功能要求及现实意义 1.5.1 教学用机械手的功能要求教学用机械手的功能要求 本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，实现手部四自由度运动，完成物件的 搬运工作。能通过相关的演示可以给学生直观的印象，在这种前提和背景下，这就要求 所设计的机械手达到以下目标： 1.成本低廉，必要时可以降低精度要求； 2.机械结构简单，便于学生掌握机械手结构特点； 3.性能良好，可以较好的完成演示动作； 4.各部分结构最好方便拆卸，以便于维修保养。 1.5.2 教学用机械手的现实意义教学用机械手的现实意义 科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动 化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了 新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手 有着深远的科教意义。 机械手模型设计及制作 7 2 机械手的设计方案机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高 精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能 自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟 定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材 料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确 定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼 顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。 本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，通过相关的演示可以给学生深刻的印 象，在这种前提和背景下，这就要求所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等， 必要时可以降低精度要求。 2.1 机械手的座标型式与自由度机械手的座标型式与自由度 2.1.1 机械手的坐标型式机械手的坐标型式 机械手的坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构 四种。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表 2-1： 表 2-1 机械手结构简图 结构形式方案特点优缺点结构简图 1 直角坐标型 操作机的手臂具有 三个移动关节，其 关节轴线按直角坐 标配置 结构刚度较好，控 制系统的设计最为 简单，但其占空间 较大，且运动轨迹 单一，使用过程中 效率较低 2 圆柱坐标型 操作机的手臂至少 有一个移动关节和 一个回转关节，其 关节轴线按圆柱坐 标系配置 结构刚度较好，运 动所需功率较小， 控制难度较小，但 运动轨迹简单，使 用过程中效率不高 3 球坐标型 操作机的手臂具有 两个回转关节和一 个移动关节，其轴 线按极坐标系配置 结构紧凑，但其控 制系统的设计有一 定难度，且机械手 臂的刚度不足，机 械结构较为复杂 4 关节型 操作机的手臂类似 人的上肢关节动作， 具有三个回转关节 运动轨迹复杂，结 构最为紧凑，但控 制系统的设计难度 大，机械手的刚度 差 初步确定选用圆柱坐标型机械手 无锡太湖学院学士学位论文 8 选用圆柱坐标型运动机构的原因：因本次设计的机械手是机电一体化产品，因此在 进行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最 为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结 构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运 动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合 看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，本设计是设计一台教学用搬运 机械手，因此用于本次毕业设计的选型比较合适。 2.1.2 机械手的自由度机械手的自由度 自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要 6 个自由度。 所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目， 它表示机械手动作的灵活程度。5 一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多， 动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的 3 个自由度是用来实现手臂未 端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7 个以上的自由度是冗余自 由度，是用来躲避障碍物的。 自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周 围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换， 增加柔性，则机械手的自由度要多一些。 计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改 变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应 使自由度数最少。 本设计的机械手力求结构简单，成本低廉，因此，自由度选择为 4 个自由度。 图 2.1 自由度结构简图 2.2 机械手的手部结构方案设计机械手的手部结构方案设计 (1)手部结构的设计 夹持式手部结构由手指(手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如连杆式、 凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等等。 机械手模型设计及制作 9 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手指式；按手指夹持工 件的部位又可以分为内卡式(或内涨式)和外夹持式两种；按模仿人手手指的动作，手指可 以分为一支点回转型、二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本 型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回 转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转 型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛；移动型应用较少，其结构比较复 杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的 工件。7 通过综合考虑，本设计选择最常用的外卡式两指钳爪，采用齿轮齿条这种结构方式。 (2)手腕结构的设计 腕部是连接手部和手臂的部件，它有独立的自由度，本机械手要求实现手腕的回转， 可采用具有一个自由度的回转气缸来驱动腕部回转。 (3)手臂结构的设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和 升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手 臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。 (4)驱动部分的设计 在普通的机械运动中，机械的驱动一般有气压传动、液压传动、电机传动等。 各种驱动方式的特点见表 2-2： 表 2-2 常用的驱动方式 驱动方式 内容 液压驱动气动驱动电机驱动 输出功率很大大较大 控制性能 利用液体的不可压缩 性，控制精度较高， 输出功率大，可无级 调速，反应灵敏，可 实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度 低，阻尼效果差，低 速不易控制，难以实 现高速高精度的连续 轨迹控制 控制精度高，功率较 大，能精确定位，反 应灵敏，可实现高速 高精度的连续轨迹控 制，伺服特性好，控 制系统复杂 响应速度很高较高很高 结构性能 结构适当，执行机构 可标准化，模拟化， 易实现直接驱动 结构适当，执行机构 可标准化，模拟化， 易实现直接驱动 伺服电动机易于标准 化，结构性能好，噪 音低，电动机一般需 配置减速装置 安全性 防爆性能较好，用液 压油作传动介质，在 一定条件下有火灾危 险 防爆性能好，高于 1000KPa（10 个大气 压）时应注意设备的 抗压性 设备自身无爆炸或火 灾的危险，直流有刷 电动机换向时有火花， 对环境的防爆性能较 差 无锡太湖学院学士学位论文 10 续表 2- 2 对环境的影响 液压系统易漏油，对环 境有污染 排气时有噪声无 在工业机械手中应用的 范围 适用于重载、低速驱动， 电液伺服系统适用于喷 涂机械手、点焊机械手 和托运机械手 适用于中小负载驱动、 精度要求较低的有限点 位程序控制机械手，如 冲压机械手本体的气动 平衡及装配机械手气动 夹具 适用于中小负载、要求 具有较高的位置控制精 度和轨迹控制精度、速 度较高的机械手，如 AC 伺服喷涂机械手， 点焊机械手，弧焊机械 手，装配机械手等 成本维修及使用 液压元件成本较高 方便，但油液对环境温 度有一定的要求 成本低 方便 成本高 较复杂 由于设计的是教学用机械手，综合考虑，本次设计选择气压驱动这种驱动方式。 (5)控制部分设计方案 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用单片机对机械手进行控 制。当机械手的动作流程改变时，只需改变单片机程序即可实现，非常方便快捷。11 2.3 机械手的主要参数机械手的主要参数 主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，定该机械手最大抓重为 10 千克。故该 机械手主参数定为 10 千克。 运动速度是机械手主要的基本参数。设计的速度过低限制了它的使用范围，速度过 高对机械手的材料等有很高的要求，而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩、回 转、升降的速度及手腕的回转速度。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度 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。设计该机械手手臂升降的平均速度为 0.05m/s，平均回转速度设计为/s，伸缩平90 均速度为 0.05m/s，手腕平均回转速度为/s。180 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。所以，该机械手手臂的伸缩行程定为 400mm,最大工作 半径约为 1000mm。手臂回转行程范围定为 0-。手臂升降行程定为 200mm。定位精240 度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为0.5mm。 2.4 机械手的技术参数列表机械手的技术参数列表 一用途:教学型机械手 二设计技术参数: 机械手模型设计及制作 11 1抓重：10 千克 2自由度数：4 个自由度 3座标型式：圆柱型座标 4最大工作半径：1000mm 5手臂最大中心高：1380mm 6手臂运动参数 伸缩行程 400mm 伸缩速度 50mm/s 升降行程 200mm 升降速度 50mm/s 回转范围 00-2400 回转速度 900/s 7手腕运动参数 回转范围 00-1800 回转速度 1800/s 8定位精度：0. 5mm 9.缓冲方式：液压缓冲器 10传动方式：气压传动 11.控制方式：点位程序控制(采用单片机) 无锡太湖学院学士学位论文 12 3 机械手机械系统设计机械手机械系统设计 3.1 手部结构设计手部结构设计 3.1.1 设计时考虑的几个问题设计时考虑的几个问题 (1)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)手指间应具有一定的开闭角 两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。手指的开闭角应 保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于 移动型手指只有开闭幅度的要求。 (3)保证工件准确定位 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。 (4)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，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧 凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。8 (5)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是二支点两指回 转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V 型，其结构如 3.1 所示。 3.1.2 手爪夹持装置的机构选型手爪夹持装置的机构选型 手爪夹持装置是一种用来抓取和握持工件的末端执行装置，机械于用它来夹持、移 动或放置工件。夹持器可分为手爪式夹持器和非手爪式夹持器。前者是用手指夹持工件， 后者是无指夹持工件，其夹持方式有：真空吸附式、磁力吸附式、静电悬浮式、铲挖式、 钩吊式、刺穿式和粘着式等。 夹持装置的机构类型主要有 5 种，见表 3-1。 表中 l 连杆式手爪机构有精度低，效率低，不平衡且难以实现精确的轨迹的缺点；表 中 2 凸轮式手爪机构中凸轮在使用中磨损较大，不理想；表中 4 螺旋式手爪机构为移动 型手爪机构，这次设计所选用的是二指回转型手爪机构，而且所使用的单螺杆或双头螺 杆加工和装配的要求都太高，不适合教学型机械手；表中 5 绳轮式手爪机构一般都是使 用电机作为驱动，将电机的旋转运动转变成手爪的开合运动，显然这样的机构没有过载 保护，要实现过载保护功能，必须在手爪上安装受力传感器，把受力状况转变成数字信 号传递给控制系统，实时调整电机转动状态。这种机构需要安装传感器，从而使控制系 统的设计变得复杂，而且由于安装电机，使夹持部分结构重量增大，使本身就是悬臂的 末节运动机构刚度变差。显然这种机构不可取。而齿轮-齿条式手爪机构具有寿命长，工 作平稳，可靠性高等优点。所以最终选用齿轮-齿条式手爪机构作为夹持装置。 机械手模型设计及制作 13 表 3-1 手爪夹持机构选型表 夹持机构类型主要特点结构简图 1.连杆式手爪机构 由简单杆件构成，可 把活塞的直线运动变 成手指的夹持动作， 夹持器工作时，卡爪 作平行开合，而指端 运动轨迹为一圆弧。 2.凸轮式手爪机构 当活塞左右运动时， 通过凸轮和连杆的组 合，实现卡爪的圆弧 开合，但平行运动中 摩擦阻力较大。 3.齿轮-齿条式手爪 机构 当活塞杆左右运动时， 活塞杆末端的齿条带 动齿轮旋转，通过齿 轮旋转，实现手指齿 条的平行运动从而实 现手指的开合运动。 4.螺旋式手爪机构 机构通过马达驱动单 头或双头螺杆，将电 机的旋转运动转变成 手爪的开合运动。 5.绳轮式手爪机构 该机构通过牵引绳索 实现手爪的开合，若 将绳轮作成非圆轮或 采用链传动，则机构 作非均匀牵引运动。 3.1.3 手部夹紧气缸的设计手部夹紧气缸的设计 (1)手部驱动力计算 本课题设计的气动机械手的手部结构如图 3-1 所示，其工件重量 G=98N， “V”形手指 的角度 2 =1200，b=120mm，R=24mm, 夹持力主要来自工件与手爪部分的摩擦力，为增 大摩擦，选用摩擦系数较大的橡胶作为手爪与工件接触部分的材料。假设工件材料为钢， 查手册可知橡胶与刚的摩擦系数为。17 . 0 无锡太湖学院学士学位论文 14 图 3.1 齿轮齿条式手部 1)手指加在物件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用 点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动 状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩)，以使物件保持可靠的夹紧状态。 手指对物件的夹紧力可按下式计算： GKKKFN 321 式中 安全系数，通常取，这里取 1.5； 1 K1.22.0 1 K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算 2 K 2 K 2 1 a K g 其中 运载物件时重力方向的最大上升加速度；a 重力加速度，；g 2 9.8/gm s = max v a t 响 2 /1 . 0 5 . 0 05 . 0 sm 运载物件时重力方向的最大上升速度； max v 系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取，一般取。t响0.030.5s 01. 1 2 K 方位系数，根据手指与物件形状以及手指与物件位置不同进行选定，对于 3 K 水平 V 形手指夹持垂直放置的圆柱形物件时,如图 3.2 所示，,为摩擦系数， 3 0.5sin K f f 为 V 形手指半角； 2.5 17 . 0 60sin5 . 0 3 K 被抓取物件所受重力()。GN 机械手模型设计及制作 15 图 3.2 水平手指抓取垂直圆柱工件图 所以： =GKKKFN 321 N366985 . 201. 15 . 1 2)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: N F R b F 2 =366 024 . 0 12 . 0 2 =3710N 3)实际驱动力: F F 实际 因为传力机构为齿轮齿条传动，取 =0. 94。 所以： )(3947 94 . 0 3710 NF 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 3947N。 (2)气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必 须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为: zt FF pD F 4 2 1 式中:F1活塞杆上的推力，N； Ft弹簧反作用力，N； Fz气缸工作时的总阻力,N； P气缸工作压力，Pa。 弹簧反作用按下式计算： )(slcF ft nD Gd Cf 3 1 4 1 8 121 dDD 式中:Cf弹簧刚度，N/m； l弹簧预压缩量，m； 无锡太湖学院学士学位论文 16 S活塞行程，m； d1弹簧钢丝直径，m； D1弹簧平均直径，m； D2弹簧外径，m； n弹簧有效圈数； G弹簧材料剪切模量，一般取 G=79.4 109Pa。 气缸工作时的总阻力与众多因素有关，如运动部件惯性力，背压阻力，密封处摩 z F 擦力等，以上因素可以载荷率的形式计入公式, 计入载荷率就能保证气缸工作时的动态 特征，若气缸动态参数要求较高,，且工作频率高，气载荷率一般取；速度高5 . 03 . 0 时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是均匀运 动，其载荷率可取。根据要求本次设计中，取，则:85 . 0 7 . 08 . 0 t F pD F 4 2 1 由以上分析得单向作用气缸的直径: p FF D t) (4 1 代入有关数据，可得 )/(46.367715)1030(8/)105 . 3(10 4 . 79 8 33439 3 1 1 mN nD Gd Cf NslCF ft 6 . 220106046.3677)( 3 )(45.78)8 . 0105 . 0/() 6 . 2203947(4 )(4 2 1 61 mm p FF D t 查表 3-2，得 D=80mm 由 d/D=0.20.3，可得活塞杆直径:d=(0.2-0.3)D=16-24mm，查表 3-3，取活塞杆直径 d=18 mm 表 3-2 缸筒内径系列（mm） 810121620253240506380（90）100 （110）125（140）160（180）200（220）250320400500630 注：无括号的数值为优先选用者 表 3-3 活塞杆直径系列（mm） 4568101214161820222528 32364045505663708090100110125 140160180200220250280320360400 校核，按公式 )4/( 2 1 dF 机械手模型设计及制作 17 2 1 1 )/4(Fd =20Mpa，=3947N 1 F 则:d(43947/20) =15.8mm18mm 满足设计要求。 6 10 2 1 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径比小或等 于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2/ Dp 式中:缸筒壁厚； D气缸内径； P实验压力，取 P=1.5P, Pa； 材料为:HT200,=30Mpa。 代入己知数据，则壁厚为: 2/ DP =800.75/（230106） 3 10 6 10 =1 常用计算出的缸筒壁厚都相当薄，但考虑到机械加工，缸筒两端要安装缸盖等需要， 往往将气缸筒壁厚作适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚。表 3-4 所列筒壁厚值可供参 考。 表 3-4 气缸筒壁厚（mm） 材料气缸直径 5080100125160200250320 壁厚 铸铁 HT150 78101012141616 钢 Q235、45 、20 号无 缝管 5677881010 铝合金 ZL3 8-1212-1414-17 用的是 HT200 材料，所以壁厚选择 8mm。 则缸筒外径为:D=80+82=96mm。 3.2 手腕结构设计手腕结构设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转 运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回 转气缸。 无锡太湖学院学士学位论文 18 3.2.1 手腕的自由度手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整工件的方位，因而它具有独立的自 由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工 艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放 置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 x 轴转动回转运动才可满足工作的要求。目 前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转气缸，因此我们选用回转气缸。它的结 构紧凑，但回转角度小于 3600，并且要求严格的密封。 3.2.2 手腕的驱动力矩的计算手腕的驱动力矩的计算 (1)手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服 手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、 定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生 的偏重力矩.图 3-3 所示为手腕示意图。 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算: M驱= M惯+M偏+M摩+M封 式中: M驱驱动手腕转动的驱动力矩( cm)； M惯惯性力矩(Kg cm)； M偏参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动 轴线所产生的偏重力矩( )； 图 3.3 手碗回转示意图 M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩( cm)； M封手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 机械手模型设计及制作 19 ( cm)。 下面以图 3.3 所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩 M惯 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的 时间为t，则: t 1 ）（ 惯 JJM 若手腕转动时的角速度为 ，起动过程所转过的角度为，则: 2 )( 2 1 JJM惯 式中：J参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 (N s2); J1工件对手腕转动轴线的转动惯量 (N s2)。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 J1为: 2 1 1 1 e g G JJ c 式中：Jc工件对过重心轴线的转动惯量(Ns2): G1工件的重量(N); e1工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), 手腕转动时的角速度(弧度/s); t起动过程所需的时间(S); 起动过程所转过的角度(弧度)。 2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 M偏 3311 eeGGM 偏 式中：G3手腕转动件的重量(N); e3手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距()，当工件的重心与手腕转动 轴线重合时，则 G1e1=0。 3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 M摩 )( 2 f 12 dRdRM BA 摩 式中：d1d2手腕转动轴的轴颈直径(cm)； f轴承摩擦系数，对于滚动轴承 f=0. 01，对于滑动轴承 f=0.1； RARB轴颈处的支承反力(N)。 4)回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩 M封，与选用的密衬 装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图 3-4 所 示，定片 1 与缸体 2 固连，动片 3 与回转轴 5 固连。动片封圈 4 把气腔分隔成两个.当压 缩 无锡太湖学院学士学位