MA160型工业机械手手臂机构设计说明书

毕 业 设 计（论 文） 系：指导教师：专业班级：学生姓名：毕业设计(论文)任务书学生姓名 专业班级指导教师 工作单位设计(论文)题目 文）主要内容：成毛胚从储存箱到加工机床的安装，以及零件从机床卸下到存储箱的操作。工业机器人包括：龙门立柱、小车机构及传动机构、滑板机构、手臂机构和手腕机构等部件组成。机器人额定负载：160由度4个。最大线位移及速度：小车沿水平轴15850s；滑板沿垂直轴590s；最大角位移及速度：带夹持头相对纵轴转动90，180度，s；手臂在垂直水平面中的转动105度，s；运送毛胚（直径400、完成资料的收集整理；2、完成机械手手臂机构的设计计算；3、完成机械装配图和部分零部件图；4、完成部分电路或电气图的绘制；5、撰写毕业设计说明书。要求完成的主要任务及其时间安排:1、完成一份10000字以上的设计计算说明书（论文），设计计算说明书中涉及参考文献不低于10篇，其中外文文献不少于2篇。2、2张一张复杂零件或部件的三维造型设计图，一张3、完成英文翻译8000字符4、全部设计必须提交电子文档。时间安排：第3、朱献清主编，电气技术识图，机械工业出版社2、成大先主编，机械设计图册1学工业出版社3、畑村洋太朗，机械设计实践(日本机械设计的构思和设计方法)，机械工业出版社4、王守城、容一鸣主编，液压传动,北京大学出版社5、天津大学主编，工业机械手设计基础，天津科学技术出版社6、所罗门采夫主编，工业机器人图册，机械工业出版社指导教师签名： 教研室主任签名：械设备的自动控制成分显得越来越重要，由工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀，有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至危及于生命。因此，机械手就这样诞生了，机械手是工业机器人系统中传统的任务执行机构，是机器人的关键部件之一。其中的工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，它的发展是由于其积极作用正日益为人们所认识。机械手的诞生给机械工业带来了很大的便利。它能部分的代替人工操作，能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序，时间和位置来完成工件的传送和装卸。能制作必要的机具进行焊接和装配从而大大改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。造，热处理等方面。数量，品种，性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造，热处理等方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外，还应大力研究伺服型，记忆再现型，以及具有视觉，触觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。目前国内研究机械手的公司有：苏州海骏自动化机械有限公司研制了移动式助力机械手，悬挂式助力机械手。佛山市川一精密机械有限公司研制了回斜式机械手，立式注塑机专用机械手。深圳市银光机械设备有限公司研制了州市海尔科捷机械手有限公司研制了旋臂式机械手、迷你横走式机械手。展也很快，目前主要用于机床，横锻压力机的上下料，以及点焊，喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使他具有一定得传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正或自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米级及亚微米级精度要求。运行速度可达到3米每秒，量新产品达到六轴，负荷两千克的产品系统总重已突破一百千克。更重要的是将机械手柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将突破传统的机械领域，而向着电子信息，生物技术，生命科学及航空航天等高端行业发展。国外的研究机械手的公司：德国个机器人公司将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外还采用先进的机器人操作机几乎成为免维护系统。日本个公司研制了有更高的效率和可靠性。德国有强大的技术背景和优化工艺，自主研发并生产了各种高精度高性能的运动型机器人，包括：垂直关节机器人平关节机器人合型机器人成毛胚从储存箱到加工机床的安装，以及零件从机床卸下到存储箱的操作。本设计是的基本要求是手臂在垂直水平面中的转动105度，s，因此就需要设计一个手臂转动机构。为了保证手臂转动的角度是105度，还需要设计一个定位机构。为了保证转动的平稳性再加上一个缓冲机构。对于其他控制，液压控制有以下优点：动平稳。列化的产品，便于设计、制造和推广应用。此 液压元件有自我润滑作用，有较长的使用寿命。压传动装置的体积小、重量轻、运动惯量小、动态性能好。3导老师意见：指导教师签名： 年 月 日郑 重 声 明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。本人签名： 日期：目 录摘 要.概述.机器人的历史和现状.机器人的发展趋势.轴的设计.轴承的选择和校核.压板的设计.凸轮的设计.行程开关的选择.杠的强度计算.机体的设计.机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性及机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力。本文将设计手臂在垂直水平面中的转动105度，从而让机械手完成毛坯从储存箱到加工机床的安装，以及零件从机床卸下到存储箱的操作。本文将确定该机械装置的总体设计方案。关键词：工业机械手 手臂机构2to a is an of It be in to to of 述机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中，以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关 键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。时用来对放射线材料进行远距离操作。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人。现有的机器人差不多都采用这种控制方式。作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要由类似人的手和臂组成。1956年，识别与定位简单积木的机器人系统。1967年日本成立了人工手研究会（现改名为仿生机构研究会），同年召开了日本首届机器人学术会。1970年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。41973年，辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45公斤。到了1980年，工业机器人才真正在日本普及，故称该年为“机器人元年”。随后，工业机器人在日本得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国的美称”。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产业。据国际机器人联合会（计，世界机器人市场前景看好，从20世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右，2000年增长率上升到15%，预计21世纪初，工作在各领域的工业机器人将突破100万台。机器人技术（信息技术（样，在强化产业竞争力方面是极为重要的战略高技术领域。培育未来机器人产业是支撑2有非常重要的意义。最近，韩国也将智能机器人作为十大战略产业之一列入国家发展规划，现正在实施中。机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业。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。工业机器人控制系统向基于于标准化、网络化；器件集成度5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。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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。62 设计要求成毛胚从储存箱到加工机床的安装，以及零件从机床卸下到存储箱的操作。工业机器人包括：龙门立柱、小车机构及传动机构、滑板机构、手臂机构和手腕机构等部件组成。机器人额定负载：160由度4个。最大线位移及速度：小车沿水平轴15850s；滑板沿垂直轴590s；最大角位移及速度：带夹持头相对纵轴转动90，180度，s；手臂在垂直水平面中的转动105度，s；运送毛胚（直径4003 3外力推动杆件，促使手臂进行运动。两根杆绕中心点进行摆动。84 臂部设计要求臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般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向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因此设计臂部时一般要注意下述要求： 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工字钢和槽钢作支承板。 导向性要好 为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取一定的缓冲措施。95 择轴的材料选择轴的材料为45钢，经调质处理，其力学性能查表可知： 40 ， 55 ， ， ；查表得： 01 2）初步估算轴径由于n=50.6 r/机械设计（第二版） 355P , 得C=106，则3 =的结构设计根据定位轴肩高度 ，轴承的内径尺寸为以“0”或“5”结尾，轴环的宽度，来设计轴的结构。其尺寸如下：图5的强度验算该轴主要受扭转，受压缩较小，因此在轴的强度验算主要考虑轴所受切应力。查材料力学I（第4版） 83P 得10163 式中： 最大切应力 抗扭截面系数D 轴截面的直径验算时只要验算轴径最小的部位，如果最小轴径的部位满足要求，则该轴的其他部位也必然满足要求，故 16 )1027(33 =55轴满足工作要求。择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调制处理45钢，查机械设计（第二版） 354P 表172得调质处理的45钢的剪切疲劳极限 T =155拉强度 B =640步估算轴径前面已计算出n=10 r/机械设计（第二版） 355P , 得C=106，则3 = 3 =0）轴的结构设计根据定位轴肩高度 ，轴承的内径尺寸为以“0”或“5”结尾，轴环的宽度，来设计轴的结构。其尺寸如下：11图5的强度验算该轴主要受扭转和压缩，先验算轴所受切应力，再验算轴所受压缩应力。查材料力学I（第4版） 83P 得 163 式中： 最大切应力 抗扭截面系数D 轴截面的直径验算时只要验算轴径最小的部位，如果最小轴径的部位满足要求，则该轴的其他部位也必然满足要求，故 16 )1040(33 =55能承受该扭转。由于本上都作用在轴材料力学I（第4版） 15P 得 于轴231040( =40能承受该压缩。所以该轴满足工作要求。械设计手册（第三册）可知，轴承有多种型号，大致来说分为滚动轴承和滑动轴承。在滚动轴承里又可以分为许多类。由于在滚动轴承中深沟球轴承是最典型，用途最广，并且在这里的轴向载荷不太大。因此在这里可以用深沟球轴承。因此在这里选用深沟球轴承。查机械设计手册（第三册）的20122页可知，轴承的内圈的直径可选为45，外圈的直径选为85。为了防止轴承轴向移动，在轴承的端部采用了止动垫圈和圆螺母。查机械设计手册（第二册）的6105页可知，轴承的校核滚动轴承的校核主要是其寿命的计算，目的主要是防止轴承在预期工作时间内产生疲劳点蚀破坏。滚动轴承的轴承寿命为： 0106式中：P当量动载荷，N； 寿命系数，球轴承 =3；滚子轴承 =10/3；n转速；对于滚动轴承的当量载荷R 式中，X 径向动载荷系数，其值见机械设计（第二版）表2010；Y 轴向动载荷系数，其值见机械设计（第二版）表2010；13轴承所承受的径向载荷；轴承所承受的轴向载荷取气动马达的转速 1n ，由于受到的力不是太大，粗略取 000 ，设定深沟球轴承的寿命为14000h。查手册，可知6209的轴承的额定动载荷 7500 。26 )300047500(45006010hL 14000了能方便轴承的安装和拆卸，在压板上装有螺钉。由于轴和衬套的尺寸，此处压板的尺寸选择为320，通过与从动件的高副接触，在运动时可以使从动件获得连续或不连续的任意预期运动。由于凸轮机构是高副机构，易于磨损，磨损后会影响运动规律的准确性，因此只适用于传递动力不大的场合。此处凸轮的安装位置是在上轴颈上。作用在控制手臂的极限位置和中间位置的开关上。根据功能等多方面考虑此处凸轮选取圆柱凸轮。为利于操作，在圆柱上端截取一个平面。后端用压板固定。然后再依照外环的尺寸对凸轮的尺寸进行选择。4图5同金属材料比不同金属的粘着倾向大；单相材料、塑性材料比多相材料脆性材料的粘着倾向大。为减轻粘着磨损的程度推荐采用材料匹配有;(1)铸钢青铜；淬硬非淬硬钢；非淬硬钢 黄铜巴氏合金；淬硬钢；青铜黄铜非淬硬钢尼龙及积层热压树脂。禁忌的材料匹配是：非淬硬钢，青铜，非淬硬钢尼龙及积层树脂；淬硬钢硬镍钢。因为是低速轻载凸轮选用钢调质，从动件接触处选用钢表面淬火。于控制机械设备的行程及限位保护。在实际生产中,将行程开关安装在预先安排的位置,当装于生产机械运动部件上的模块撞击行程开关时,行程开关的触点动作,实现电路的切换。因此,行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器,它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械,用以控制其行程、进行终端限位保护。在电梯的控制电路中,还利用行程开关来控制开关轿门的速度、自动开关门的限位,轿厢的上、下限位保护。行程开关主要由接触组、凸轮轴、壳替等组成，触头分断靠操动机构带动凸轮轴的转动来实现。触头组结构均为转动式双断点。杆式、叉式、重锤式行程开关可安装一组或二组接触组，组成单回路（一常闭）或双回路（一常开、一常闭）的开闭形式、实际应用过程中用户可根据需要，只要调整凸轮角度，即可改变触头开闭形式。选转式行程开关可同时安装四组接触组，使其上升或下降都可有二级保护。旋转式行程开关实际应用中如需控制起升机构的升程只要将定位销子拔下，转动螺母，调整丝杆螺母机构，即可改变起升机构的升程。行程开关按其结构可分为直动式、滚轮式、微动式和组合式。（1）直动式行程开关 其结构原理如图1所示,其动作原理与按钮开关相同,但其触点的分合速度取决于生产机械的运行速度,不宜用于速度低于04m5直动式行程开关组成1）滚轮式行程开关 其结构原理,当被控机械上的撞块撞击带有滚轮的撞杆时,撞杆转向右边,带动凸轮转动,顶下推杆,使微动开关中的触点迅速动作。当运动机械返回时,在复位弹簧的作用下,各部分动作部件复位。滚轮式行程开关组成1、5、11、90角式)非自动复位式,双滚轮行移开关具有两个稳态位置,有“记忆”作用,在某些情况下可以简化线路。（3）微动开关式行程开关的组成： 断触点 们这里选取的是滚轮式行程开关。其示意图如下： 强度校核：在已知拉压杆的形状、和许用应力及受力情况下，检验构件能否满 和许用应力及受力情况下， 上述强度条件，以判别构件能否安全工作。2 设计截面：已知拉压杆所受的载荷及所 设计截面： 用材料的许用应力， 用材料的许用应力，根据强度条件设计截面 的形状和尺寸，表达式为： A N 3计算许用载荷：已知拉压杆的截面尺寸 计算许用载荷：及所用材料的许用应力，及所用材料的许用应力，计算杆件所能承受 的许可轴力，再根据此轴力计算许用载荷，的许可轴力，再根据此轴力计算许用载荷， 表达式为： 表达式为： 在计算中，若工作应力不超过许用应力的5%，在工程中仍然是允许的。下面对所设计手臂机构中的杆进行强度计算。由于此为三根杆用螺纹孔连接而成。其中有两根杆基本是完全一样。故只需要验算两根杆的强度。16杆1的示意图如下：图5 =A式中式中：N轴向力；A横截面面积；构件工作时受的应力；A= 24/ d =/4 230 =，得=N/A= ，故满足挤压强度要求。 =A式中：N轴向力；A横截面面积；构件工作时受的应力；A= 24/ d =/4 220 =314，得 =N/A= ，故满足挤压强度要求。是为了减轻机身的重量以及节省材料，故在机身部留有两个很大的孔，为了加强其强度在机身上安有加强筋。机体的尺寸选择为，机体的壁厚选为20。186机械手臂的控制设计原理图如下：图61 液压控制原理图在上图中作用是利用两条管道的压差来发出电讯号，当系列液管的压差升高或降低而超过控制器设定值时，发出信号以控制换向阀换向或监视润滑系统。另外中间是由三个阀组成，分别为三位四通，两位三通以及三位两通阀。还有一个弹簧储能器，它是利用弹簧的伸缩来储存，释放压力能。结构简单，反应灵敏，但容量小，供小容量，低压回