圆柱坐标机械手结构设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I圆柱坐标式三自由度机械手摘 要机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。 本设计设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转 180 度，回转速度 15r/min，可水平伸缩距离 400 ，移动速度约 0.2 /s，mm机械手可上下垂直运动，其垂直升降量 1000 ，移动速度约 0.15 /s，机械手最大夹持重量 10 ，所夹持工件为圆柱形，直径范围：30 120 。kg本设计的旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。关键词：三自由度，圆柱坐标式，工业机器人，机械手洛阳理工学院毕业设计（论文）IICYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OFTHREE DEGREES OF FREEDOMABSTRACTA robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task.This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical.According to the issue demands ,besides, careful thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts rotating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders.KEY WORDS：Three degrees of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 概述 .21.1 工业机械手的概述 .21.1.1 机械手的组成 .21.1.2 机械手的运动与分类 .31.1.3 机械手的主要参数 .41.1.4 机械手的结构 .51.2 工业机械手的发展 .51.3 工业机械手在我国的发展与应用 .6第 2 章 总体设计方案 .82.1 总体设计的思路 .82.1.1 思路 .82.2 总体方案的确定 .82.2.1 方案 .8第 3 章 机械手相关的设计与计算 .93.1 手指的相关设计与计算 .93.1.1 手指夹紧力的计算 .93.1.2 手部液压缸的选取 .113.1.3 水平伸缩缸尺寸计算 .133.1.4 垂直升降液压缸主要参数的确定 .143.2 升降手臂的设计 .163.3 立柱与托盘的设计 .173.4 液压马达的设计与计算 .193.5 液压泵、电机的选择 .213.6 机械手的控制 .22第 4 章 相关的校核 .234.1 手爪扇形齿轮与齿条强度校核 .23结 论 .24洛阳理工学院毕业设计（论文）IV谢 辞 .25参考文献 .26洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言机器人技术的发展，可以说是科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，也是为社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,需求能够解放人的一种工具。那么这种工具就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。另一方面，人们有各种各样的好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。毕业设计是对大学所学的知识的总结和运用。它是基础知识和专业知识的统一，是理论和实践相结合，这加深了我们对所学知识的理解和灵活运用。通过查阅大量的资料，学到了很多在课堂上学不到的知识和掌握了一部分新的理念，为我们走向工作岗位奠定了一定的知识基础。同时，也是检验我们掌握所学知识的深度和力度洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 概述1.1 工业机械手的概述工业机器手的用途十分广泛，它对于实现生产过程的自动化，提高劳动效率，减轻工人的劳动强度，保证工人的安全都具有重要的意义，尤其对于那些有毒、高危、多粉尘、油漆、深水作业的工作环境和有放射等恶劣环境条件下的作业，使用工业机械手和机器人更具有显著的优越性，在 FMS 中要实现物流系统的正常运用，以实现坯料进入车间到加工成成品零件的全过程，使各个环节都能进行自动连接 ，以及机床刀具的自动调换，机械手都将起的重要的作用。随着机械工业的发展，工业机械手的应用范围会越来越广。1.1.1 机械手的组成工业机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序、轨迹、和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。在 工业生产中应用的工业机械手简称为“机械手” 。 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，各部分之间的相互关系如 1-1 所示。图 1-1 机构相互关系图1、执行机构执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。(1) 手部（或称抓取机构）是与物体接触的部件，主要是抓取和放置物件的控制系统 驱动系统 执行机构 工件位置检测装置洛阳理工学院毕业设计（论文）3作用。(2) 手腕 是连接手部和手臂的部件，可以调整和改变工件方位。(3) 手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。(4) 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。(5) 机座 是机械手的基础部分。执行机构的各个部件和驱动系统均安装于机座上，起支承和连接的作用。有时为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构 2、驱动系统机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的动力装置，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动四种形式。3、控制系统控制系统是机械手动作的指挥系统，用来控制动作的顺序（程序） 、位置和时间、速度和加速度等。4、位置检测装置位置检测装置控制执行机构的运动位置，可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，使执行机构以一定的精度达到设定位置。1.1.2 机械手的运动与分类1、机械手的运动机械手以及及其手部所夹持的工件（或工具）在空间的位置，有臂部、腕部等部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。机械手的每一个动作，必须要配有一个原动件，当各个原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件随之作确定的运动，从而使机械手具有运动和位置的确定性。2、机械手的分类机械手按不同的标准可有不同的分类方法，如按用途可分为用机械手和专用机械手；按驱动方式可分为液压驱动机械手、气动驱动机械手、电力驱动机械手和机械驱动机械手；按控制方式可分为点位控制机械手和连续轨迹控制机械手两种。在实际应用中，大多按运动坐标形式将机械手分为直角坐标式、圆柱坐标式、洛阳理工学院毕业设计（论文）4球坐标式和关节坐标式四种。此设计选用的是圆柱坐标。1.1.3 机械手的主要参数机械手的主要参数是说明机械手的规格和具体指标，一般包括以下几项：1、抓取重量抓取重量（又称臂力）是机械手所能抓取或搬运物件的最大重量，它对其他参数如行程范围、运动速度、坐标形式和缓冲装置的设计均有影响，是机械手最基本的参数。2、运动速度运动速度反应了机械手的生产水平，影响机械手的运动周期和工作效率，很多机械手由于速度低而限制了它的使用范围。影响机械手动作快慢的两个主要运动是手臂伸缩和回转运动。速度大小与机械手的驱动方式、定位方式、抓取重量和行程距离有关系。3、行程范围机械手的手臂运动行程对使用性能有较大的影响。一般来说，通用机械手的手臂回转应尽量可能大些，回转行程范围应大于 180，使机械手具有一定的通用性；手臂伸缩行程及工作半径要适宜，太大会增加手臂伸缩量，相应的偏重力矩和转动惯量也增加，且刚性降低，对于定位精度也难以保证。4、定位精度定位精度是衡量机械手工作质量的又一指标，是机械手是运动部件从某一起始位置运动到预期的另一位置时所达到的实际位置的准确程度。定位精度的高低取决于位置控制方式以及机械手运动部件本身的精度和刚度，并和抓取重量、运动速度等因素也有密切关系。定位精度包括位置设定精度和重复定位精度两种，一般所说的定位精度是指重复定位精度。1.1.4 机械手的结构机械手的机械结构（运动）本体是机械手的基础部分，各运动部件的结构形式取决于它的使用场合和各种不同的作业要求。机械手的结构类型特征，用它的结构坐标形式有和自由度表示；机械手的空间活动范围用它的工作空间来表示。1、机械手的运动自由度洛阳理工学院毕业设计（论文）5所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手的执行系统需要的独立运动参数的数目，它表示机械手动作灵活程度的参数。机械手执行系统的手部、手腕、手臂和机座等的独立运动所合成的运动状态（方位） ，决定了手部所夹持的工件或工具在空间的位置和姿态。机械手的自由度越多，其动作的灵活性和通用性就越好，但是其结构和控制就越复杂。在决定机械手的自由度时，不计入手部的抓取动作，因为这个动作并不改变工件或工具的位置与姿态。2、手的工作空间与坐标所谓工作空间，是指机械手正常运作时，手腕参考点或者机械接口坐标系原点能在空间活动的最大范围，是机械手的主要技术参数之一。机械手工作空间与其具有的自由度数目以及所选用的运动关节的类型及配置有关。每个运动关节所形成的变化量，如直线移动的距离、回转角度的大小，都将影响工作空间的大小。机械手的坐标系按右手定则决定。1.2 工业机械手的发展机器人(机械手) 的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演” 所记录的机器的运动。 1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。 1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊” 公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特” ，意思是“万能自动” 。 他们因此被称为机器人之父。 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰” ，意思是“万能搬动” 。 ”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。 近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能洛阳理工学院毕业设计（论文）6机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。 1.3 工业机械手在我国的发展与应用随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造业中诞生的工业机器人