摘 要
近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。
机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。
本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。
课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。
本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。
关键词：机械手；工业；传动；强度
Abstract
Industrial manipulator is composed of target of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, operation, automatic control, a kind of imitation of human multiple programming, to complete the work of every kind of Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial machinery hand to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technique combined with multi discipline knowledge. Including mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and so on. It is the very active, very wide application areas.
The manipulator has many human beings do not have, including the rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of the progress of industry, it also plays a vital role in the modern industry. Nowadays, industrial robot has become the concern of the industry all over the world.
This subject comes from the Yalong YL-221 automation to flexible production system, the machine independent innovation training system to simulate the actual industrial production system, according to the different stages of production machine is provided with a plurality of workstation: automatic access overhead warehouse, handling robot station, line conveyor, conveyor station station 90 degree turn, mechanical processing station, station, the station code heap.
We design a robot will be used in Longmen, staff entry, disconnected to the conveyor belt parts are transported by mechanical hand, to the completion of the work of safety grip and release, and the parts from one end to the other end of the conveyor belt production line position specified on the conveyor belt.
This paper expounds the development history of the manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the design requirements of the manipulator specific and detail structure design, overall design and various degrees of freedom.
Key Words: robot; industrial; transmission; strength
目 录
摘 要 II
Abstract III
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1 机械手概念 1
1.2 课题研究的背景和意义 1
1.3 国内机械手的研究 1
1.4机械手的应用 2
第2章 总体方案机构设计 3
2.1课题的技术要求 3
2.2设计原理 3
第3章 Z向结构及传动设计 5
3.1滚珠丝杆副的选择 6
3.1.1导程确定 6
3.1.2确定丝杆的等效转速 6
3.1.4确定丝杆的等效负载 6
3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷 7
3.1.6精度的选择 8
3.1.7选择滚珠丝杆型号 8
3.2校核 8
3.2.1 临界压缩负荷验证 8
3.2.2临界转速验证 9
3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 10
3.3电机的选择 11
3.3.1电机轴的转动惯量 11
3.3.2电机扭矩计算 12
第4章 X轴水平移动传动设计 14
4.1 同步带计算选型 15
4.2 同步带的主要参数（结构部分） 18
4.3 同步带的设计 20
4.4 同步带轮的设计 21
4.5 轴的校核 21
4.6 键的校核 22
4.7 轴承的校核 23
第5章 手指的相关设计与计算 25
5.1 手指的相关设计与计算 25
5.2 手爪结构设计与校核 26
5.3 结构分析 27
5.4计算分析 28
5.5 机械手手抓夹持精度的分析计算 29
总 结 31
参考文献 32
致 谢 33
第1章 绪论
1.1 机械手概念
机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。
1.2 课题研究的背景和意义
本课题来源于亚龙YL-221型自动化柔性生产系统项目，该机械加工自主创新实训系统模拟了实际工业生产系统，根据生产机械加工的不同阶段设置了多个工作站：自动存取型高架仓库、搬运机械手站、直线输送机站、90度转弯输送机站、综合机械加工站、装配站、工件码堆站。
本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。
1.3 国内机械手的研究
机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。
在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。
国际机械手的发展方向:
机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。
机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。
1.4机械手的应用
机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。
第2章 总体方案机构设计
2.1课题的技术要求
工件和托架形状：工件为φ50×50mm的铝制圆柱体或φ50×50mm的塑料圆柱体; 托架为200×145mm方形有机玻璃，2公斤。
定位精度：±1mm ；运动速度：>2m/min；
工作行程：X:1000mm, Z:200mm；
设计空间：横梁与地面高度需有1800mm，便于工作人员通过。已知工作台高度为1000mm，托架离工作台200mm。
工作要求：X轴引动器用于机械手在水平方向上的精确定位，工件托架提起或放下操作，机械手爪则完成对工件托架安全抓紧或释放操作。
机构简图
2.2设计原理
为了使工件保持准确的相对位置，必须根据要去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。
Z轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—滚珠丝杠
X轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—同步带—带动Z轴部分滑动。
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