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机械手
四自由度
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搬运机械手结构设计,机械手,四自由度
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洛阳理工学院毕业设计（论文）I搬运机械手设计摘要随着机械生产的发展，人们不断的提高对机械生产自动化的要求，搬运机械手也就慢慢的出现在人类的视野中。由于一些条件的限制，有些工作人做起来难度比较大，或者是对人健康的危害也比较大，因此在这些情况下，我们选择搬运机械手代替人来完成这类工作。本次课题就是设计一个能够代替人对刚生产出的塑料瓶的抓取和放下。本次设计主要内容有一下几点：对搬运机械手的整体机械结构的设计，其中包括驱动系统，传动系统以及执行系统的设计；对搬运机械手自由度的设计，本次课题涉及机械手 4 个自由度，通过旋转和水平运动来完成相应的工作；对一些传动元件的计算，选择和校核，主要包括蜗轮蜗杆，电动机，滚珠丝杠。通过对上述的的介绍、分析以及计算，来完成对工业机械的设计，以达到预期的效果，完成搬运机械手抓取和放下塑料瓶的整个运动。关键字：搬运机械手 四自由度 机械结构 松开 抓取洛阳理工学院毕业设计（论文）IIHandling Manipulator DesignABSTRACTAlong with the development of science and technology, people are increasingly high demands on the automation of industrial production, industrial machinery hand also slowly appear in the cause of humanity. Due to the limitations of some of the conditions, some people do it difficult, or on human health hazards also than the larger, and therefore under these conditions, we choose industrial manipulator replaces man to do this kind of work. This topic is to design a can replace containing toxic liquid tube to grab and lay down.The main content of the design with a few points: industrial manipulator of the whole mechanical structure design, including the drive system, transmission system and the design of execution system; degree of freedom industrial manipulator design. This topic relates to the manipulator has four degrees of freedom. By rotating and horizontal movement to complete relevant work; and checking calculation of some transmission components, mainly includes the worm and worm wheel, motor, ball screw. Through the introduction of the above, analysis and calculation, to complete the design of machinery industry, in order to achieve the desired effect, industrial manipulator and the completion of the whole movement down the tube.Keywords: industrial robot manipulator four degrees of freedom mechanical structure release grab目 录第 1 章 前言 .1洛阳理工学院毕业设计（论文）III1.1 课题的来源和提出 .11.2 课题研究的目的意义 .11.3 搬运机械手的发展现状及趋势 .11.3.1 国外研究情况 .11.3.2 国内机械手的发展状况 .21.3.3 搬运机械手的发展方向 .31.4 搬运机械手运动的原理 .31.5 搬运机械手的使用范围 .51.6 总结概述 .6第 2 章 搬运机械手总体结构的设计 .72.1 搬运机械手的整体结构 .82.2 搬运机械手自由度的设计 .82.3 机械手设计的主要思路 .92.4 本章概括 .11第 3 章 机械手主要传动部件的选择与校核 .123.1 电动机的选择与校核 .123.1.1 电动机的选择 .123.1.2 步进电动机选择 .123.2 蜗轮蜗杆的设计与校核 .153.2.1 蜗轮蜗杆的选择 .153.2.2 蜗轮蜗杆的计算校核 .163.3 滚珠丝杠的选择与计算 .173.4 轴承的选择 .19第 4 章 搬运机械手三维仿真图 .21结 论 .23谢 辞 .24参考文献 .25洛阳理工学院毕业设计（论文）1第 1 章 前言1.1 课题的来源和提出在现机械生产中，生产过程对自动化、机械化的要求越来越高。化工生产的自动化已得到解决。但在机械生产中，加工与装配是分开进行的。机床是大批量生产的方法；自动化机械是小批量生产的重要办法。但除生产外，还有许多的人工作业，比如装卸、搬运、装配等，这些工作还有待于机械化的实现。因此，机器人的出现是这些问题得到了很好的解决，也为实现机械生产的自动化作了较好的基础。 搬运机械手是在 1920 一部话剧中第一次提出，这是人类第一次对工业机器人的设想，也是因为这次设想，搬运机械手开始一步一步的走进机械生产与制造，1954 年，美国人第一次正式提出工业机器人的概念，在 1959 年世界上第一台工业机器人诞生，搬运机械手从此开始走入机械生产。本课题来源于实际生产。一些工业化学试剂的配制，会产生一些有毒的气体，会对工作人员的身体带来巨大的威胁。传统的有毒化学试剂的配置都是由工作人员穿着防护服进行的，同时进行一些必要的保护措施，这些方法虽然可以大大降低化学试剂对工作人员健康的危害，但却无法完全避免，因此，搬运机械手就慢慢的进入化工厂。1.2 课题研究的目的意义 本次课题主要是为了研究一种能够代替人在生产线上进行一些抓取、搬运的机械手。这种机械手可以代替人进行产品的取出、移动、摆放，从而降低生产对工作人员的危害。1.3 搬运机械手的发展现状及趋势1.3.1 国外研究情况 1920 年美国人在一部话剧中提出了机器人的概念，在 20 世纪 40 年代，美国人申请了工业机器人的专利，1962 年美国正式推出了 Unimate 型工业机器人。自从以后，工业机器人得到了飞速的发展。据有关部门预测，截止到 2000 年，全世界拥有工业机器人的总数已达到 80 万台，比 1996 年增加了将近 20 万台。其中，具有“机器人王国”之称的日本，以 42 万台工业机器人居世界第一。除洛阳理工学院毕业设计（论文）2了日本以外，美国、西欧以及其他发达国家，工业机器人的数量也在飞速增加。虽然美国，德国等发达国家，搬运机械手的数量不及日本，但其搬运机械手的水平却高于日本。到 1998 年，美国拥有搬运机械手的数量为 8 万台，占世界机器人数量的百分之十五，而德国工业机器人的数量为 7 万台，占世界工业机器人数量的百分之十三。在亚洲，韩国和新加坡的机器人制造业也在飞速的发展，现在在世界的机器人制造中也具有一席之地，据有关部门统计，日本，韩国以及新加坡的机器人密度分别占据世界前三名。值得一提的是，西欧的意大利，法国，以及曾经的“日不落帝国”英国的机器人制造业也在飞速的发展。1.3.2 国内机械手的发展状况中国从国家七五科技攻关计划开始将工业机器人和以及机器人的开发和研究作为国家发展的重点对象，这也充分展示了国家对工业机械人重视，中国机器人的发展是由机械部门带头组织搬运，点焊等方面的研究，这也是中国首次提出发展工业机器人技术。在 1986 年，中国再次将机器人的发展提上议程，在1986 年提出的高科技发展计划中，国家将智能机器人的发展列入其中，并以追赶世界先进水平为目标，研究出具有自动化和智能化得工业机器人。在 90 年代后，国内的制造业也在飞速的发展，对于机器人的需求也越来越急切，机械生产的自动化以及机械化是当时急待解决的问题，为了解决生产需求，加快机械生产的自动化的速度，国家建立了 9 个工业机器人生产基地以及 7 个研究工业机器人的地方。这大大加快了中国机器人制造业的发展。通过几十年的发展，以及近几代人的努力，中国机器人制造业已经得到了飞速的发展，目前国内的机器人总数超过 7 万台。虽然中国的机器人密度为21，国际平均水平为 55.但是中国近几年机器人发展速度极快，从 1999 年到现在，中国机器人的总数在以超过百分之二十的增长。1999 年时，中国机器人在使用的数量仅仅为 500 多台，2008 年，中国机器人总数达到了 3 万多台，不到10 年的时间，中国机器人数量增加了 60 倍之多。甚至在经济萧条的 2009 年，中国的工业机器人的销售总量依旧是正增长。据有关部门推测，目前国内拥有工业机器人的数量超过十万台。国际机器人联合会认为，在不久的将来，中国将成为世界上拥有机器人数量最多的国家。但是从目前的形势来看，我国生产工业机器人的技术与世界先进水平有一定的差距。随着经济全球化步伐的加快，我国的工业机器人发展面临着巨大的挑战，同时也存在着发展机遇，我国应该把握住这个机遇，快速发展工业机器人技术，努力赶超发达国家。洛阳理工学院毕业设计（论文）31.3.3 搬运机械手的发展方向搬运机械手作为一个新兴的技术，具有广阔的发展前景和空间，因为，搬运机械手具有以下特点：高精度，专业化，实用性，以及自动化等特点。高精度：现在工业机器人的设计主要是完成一些环境比较恶劣，或者需要精度要求比较高，人完成不了的工作，比如一些焊接机器人，可以通过指令的追踪高精度的完成焊接，大大提高了工业生产的质量。专业化：全球工业机器人发展也越来越专业化，不同的工业使用不同的机器人。机器人的种类很多，工作原理野不尽相同，全球没有任何一台机器人可以完成全部的机械生产。按照工业机器人的运动状态和结构可以分为关节坐标型、直角坐标型、并联型、圆柱坐标型、球坐标型。不同结构形状完成不同的工作。比如,直角坐标型工业机器人，这种形式的工业机器人的位置精度非常高，并且控制不复杂，但是直角坐标型工业机器人的结构非常庞大，并且动作范围也比较小，灵活性不高，有些机械生产不容易完成。关节坐标型工业机器人，这种形式的机器人便于三维空间上的任意位置和姿态的确定，对于许多的机械操作都能很好的适用。但是这种机器人的计算以及控制十分的复杂，并且在机械生产时，很难达到较高的精度。1.4 搬运机械手运动的原理执行 机构机器人控 制系统驱动 - 传动系统手部腕部臂部腰部基座部（ 固定或移动）电 、液或气 驱 动 装置单关节 伺服控制器关节协调及 其它信息交换计 算机图 1-1 机器人组成搬运机械手主要是由执行机构，驱动传动系统以及控制系构成。执行元件的动作是通过电动机的带动，通过一些传动装置来完成动作的。不同的机械手采用不同的传动方式，有些搬运机械手采用齿轮液压传动，或者采用蜗轮蜗杆传动，还有些采用滚珠丝杠齿轮传动。机械手一个完整动作的完成需要在可编程控制器的控制下，通过传动来实现相关部位的发生一定的，有规洛阳理工学院毕业设计（论文）4律的运动。当有些动作出现问题时，可编程控制器就会通过反馈系统，反馈给可编程控制器，从而使得机械手做出相应的调整。通过这种方式，可以使得机械手的运动更加准确，从而完成预期的动作。（一）执行元件由上图可以知道，工业机器人的执行元件主要由手部，腕部，肩部，腰部，以及基座部组成。手部根据不同的工作需要，手部的形状也不尽相同，按照与物体的接触形式，工业机械器人的手部可以分为吸附式机械手和夹持式机械手。吸附式机械手的原理也不相同，有些吸附式机械手采用真空吸盘，其动力源是气缸，通过气缸将气爪内的空气抽走，通过大气压强来完成抓取工件的操作。而夹持机器人则是通过模仿人类手指的抓取来完成夹持。夹持式机械手有可以分成内卡式和外夹式机械手。比较常见的是内夹式机械手。内夹式机械手根据接触点的多少来分类，一般常见的为 3 点接触和是 4点接触。手指的运动形式可以分为两种：回转型以及平移型。回转型机械手手指的结构一般比较简单，制造起来比较方便，因此应用也比较广泛。一般用来夹持直径比较大的轴类零件。但是回转型机械手能完成的运动有限，有些运动无法完成。平移型机械手的结构一般比较复杂，因此应用范围也就比较小，只有某些大型机器人的机械手手部才会用到。机械手手部的传力方式也有许多种，最常见的是蜗轮蜗杆传动，连杆机构传动，以及丝杠传动。腕部手臂和手部的连接是通过腕部来完成的，腕部的同时决定了抓取物件的一种姿势。手臂手臂是搬运机械手重要的组成部分，机器人要想完成整个抓取过程离不开手臂的动作，手臂的主要作用是带动机械手手部去抓取制定的工件，并按照可控制编程器的指令将其搬运到指定的放置位置。工业机器人手臂主要由驱动部件构成的。驱动部件一般采用液压缸，齿轮传动，和滚珠丝杠传动等。动力源一般为液压泵和电动机。腰部工业机器人的腰部是整个机器人支撑的部分，同时工业机器人的腰部也能完成部分机器人的运动，比如肩部的升高与下降，或者是整个机器人的旋转运动，机器人腰部的运动部件的驱动方式也有许多种，常采用的是齿轮传动，动力源为电动机。腰部是搬运机械手组成不可缺少的一部分。腰部设计的精度决洛阳理工学院毕业设计（论文）5定了机器人运动的准确性和实效性。基座部基座部是机器人的最低面，就如同人类的脚一同，他的设计分为两种，一种为可移动的，一种是固定的。可移动基座一般使用于机器人工作地点不稳定，需要来回变换的，固定的基座适用于工作地点不变的机器人，基座设计的方式，决对工业机器人的使用范围有重要的影响。（二）驱动传动系统驱动传动部分是机器人的核心，根据不同的工作要求，设计不同的传动方式。驱动方式可以分为液压驱动，气压驱动和电机驱动。液压驱动：液压驱动的输出功率一般较大，并且压力范围也比较大。液压驱动是利用液压传动原理来实现控制动作的，液压驱动的控制精度比较高，但是不可以调速，并且输出功率也比较大。并且能够实现连续控制。但是采用液压传动的机器人一般都是低速，重载的工业机器人，并且工作环境一般都比较恶劣。气压驱动：气压驱动与液压驱动的输出功率以及压力范围都相差无几，但是气压驱动的工业机器人成本要比液压驱动的工业机器人成本低，并且维修要方便许多。因此，采用气压驱动的农业机器人一般为中小负载驱动的机器人，并且对加工工件的精度要求也不高。电动机驱动：电动机驱动是最为常见的驱动方式，因为电动机驱动控制精度高，输出的功率大。电动机驱动能够实现高速度、高精度的连续控制，响应的速度也极快。但是，相对于液压和气压驱动，电动机驱动的控制系统要复杂，设计起来有一定的难度。并且电动机驱动的工业机器人的造价也比较高，维修起来也比较的复杂，需要专业人员才能维修。（三）控制系统控制系统是工业机器人的大脑，它主要是有可编程控制器完成的（简称PLC），工业机器人的所有动作指令都是有它发出和控制，通过 PLC 的控制机器人才能更好的完成相应的工作，才能按照设计者的需求完成指定的工件的夹持和放下。1.5 搬运机械手的使用范围工业机器人的使用范围非常的广泛，一些机械工厂，化工厂，研究所等地方都能看到机械手的存在。甚至在航天和海洋开采等方面也有涉及。据有关部门报道，日本在研究在一种能够在月球上行
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