毕业设计（论文）-旋转式机械手的设计.doc

毕毕业业设设计计旋旋转转式式机机械械手手的的设设计计学生姓名学生姓名：孙浪浪学号学号：112011321系系部：部：机械工程专专业：业：机械设计自造及其自动化指导教师：指导教师：胡晋智谷正钊二零一五年六月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名：年月日毕业设计任务书毕业设计任务书设计题目：旋转式机械手的设计系部：机械工程专业：机械设计自造及其自动化学号：112011321学生：孙浪浪指导教师（含职称）：胡晋智（副教授）谷正钊（助教）1课题意义及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入旋转式机械手在设计方案比选、结构内力计算及材料选择等方面的设计规范、计算方法及设计思想等内容，为学生在毕业后从事机械设计工作打好基础。2主要任务（1）根据已有的机械手资料，通过各种机械手结构方案比选确定机械手的主题方案，并进行总体的最优化设计(包括材料的选择、结构的简单化、机械强度、方便快捷等)绘机械手总体图。（2）进行详细的结构尺寸拟定并进行工程量的计算。（3）进行三维建模。（4）结构承载能力极限状态的内力及强度计算。（5）绘制机械手结构图，完成设计说明书一本.3主要参考资料1吴延本，刘世华.机械设计标准手册.吉林：吉林科技出版社，1996.72刘跃南.机械零件设计问题解析.北京：中国致公出版社，1999.43李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床.2004.06.4李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.44进度安排设计各阶段名称起止日期1完成开题报告准备开题答辩2014年3月1日至3月10日2利用proE软件完成三维建模2014年3月10号至4月10号3利用材料力学知识完成强度校核2014年4月10号至4月30号4整理资料，开始撰写毕业论文2014年5月1号至5月31号5完成毕业论文设计书，准备毕业答辩2014年6月1号至6月10号审核人审核人：年月日旋转式机械手的设计旋转式机械手的设计摘要：本设计简要介绍了旋转机械手设计的一些基本概念，以及介绍了旋转机械手的各个部件，还有旋转式机械手目前在国内外的发展现状和发展前景。同时，本设计对旋转式机械手各部分组成进行了结构设计和相应的设计计算，结合机械手在实际生产中的作用，系统的设计和介绍了机械手在工作中的动作过程，确定出了机械手所需要真空吸盘的型号及数目，并且给出了旋转式机械手的部分技术参数。例如步进电机与伺服电机的型号。同时对旋转式机械手的各个组成部分进行了详细的介绍，比如；旋转式机械手的手部、旋转部分、升降部分等等。关键词：关键词：旋转式机械手，升降，旋转ThedesignoftherotarymanipulatorAbstract：Thispaperbrieflyintroducessomebasicconceptsoftherotarymanipulatortherotatingpartsoftherotarymanipulatorandthedevelopmentsituationanddevelopmentprospectoftherotarymanipulatorathomeandabroad.Thispapersdesignisbasedoncarefuldesignandcorrespondingdesigncalculatedthestructureoftherotarymanipulator.Combinedwiththefunctionofthemanipulatorinactualproductionthispapersystematicallydesignsandintroducestheworkingprocessofthemanipulatorintheworkgivingthetypesandnumberofthevacuumsuckerthatmanipulatorneededandsometechnicalparametersoftherotarymanipulatorsuchassteppingmotorandservomotormodel.Atthesametimedetailsforeachpartoftherotarymanipulatorarealsointroducedindetailsuchasrotarymanipulatorhandrotatingpartselevatorpartsetc.Keywords:Rotarymanipulatorliftingrotating太原工业学院毕业设计目录目录1绪论.11.1前言.21.1.1机械手的简介.21.1.1它的发展方向及前景.21.2选题背景.31.2.1课题的提出.31.2.2课题的主要任务.41.3设计流程.51.4章节安排.62旋转机械手的分析.62.1旋转式机械手在工业上的应用.62.2现有旋转机械手的分析.72.3新型旋转机械手的设计分析和要求提出.72.4旋转机械手所涉及的机械部件简介.82.4.1同步带传动.92.4.2步进电机传动.102.4.3真空吸盘简介.112.4.4滚珠丝杆件简介.122.5材料、构件与轻量化设计.132.5.1材料与型材.152.5.2轻量化设计.152.6本章小结.153旋转机械手的结构设计.163.1旋转机械手组成简介.163.2旋转机械手各部位机构的详细介绍.173.2.1旋转支撑底座的设计.173.2.2升降结构的设计.19太原工业学院毕业设计I3.2.3支撑杆的设计.223.2.4机械手的设计.243.3本章小结.284各结构的参数计算.294.1支撑杆的强度校核.294.2真空吸盘的数量及压力计算.314.3电机的选择.324.3.1伺服电机的选择.324.3.2步进电机的选择.335总结与展望.35参考文献.36致谢.37太原工业学院毕业设计011绪绪论论1.11.1前言前言1.1.1机器手的简介机械手-是用于实现人手的功能的技术装置。机械手是根据着人手的部分动作，它按指定程序、轨迹和要求实现对工件的传送、工件的储存和取出、部件安装、焊接、锻造、压制、喷漆和其他许多工艺操作的一种机械装置。在现代化的工业生产中应用到的机械手通常就是人们所说的工业机械手。工业机械手是工业生产中出现的矛盾促使采用一项新技术，是近代自动控制领域中的一个分支，随着社会的进步的快速发展，机械手已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。并逐渐成为一门跨学科综合技术。联系自动控制技术、机械设计、控制技术、工程力学、传感技术等行业领域，。工业机械手是最近几十年迅速发展起来的一种高科技装备。它具有通过计算机编程来完成各种预期动作的特点，尤其体现在仿照人手的智能化和适应性方面。并且机械手在准确性、效率、适用性等方面有着巨大的提升空间。机械手的使用范围越来越广泛：一、在经济方面，工业机械手能够提高生产率，保证产品质量，降低废品率；二、机械手可以按照生产工艺的需求，严格按照制定的程序、时间来完成工件的运送和装卸载；三、机械手可以把人们从危险和妨碍健康的环境中解放出来如高温工作、带电部门、放射性影响、漆雾、砂、尘以及繁重而劳动强度大、单调重复的工作，显著的提高了劳动生产率，加快实现流水线的批量生产。因而，受到国家很多的重视。机械手在我国在最近的研究也取得长足进布，我国的工业旋转式机械手的研究范围也有很大的提升，并且应用在迅速扩大。在应用专业旋转式机械手的同时，对工业机械手的研究设计也有很大提升，从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展投入了巨额资金用于开发，此后对机械手的研究大大重视，从此研究开发并且制造了一系列各种各样的工业机器人分别研制出新型电焊机械手、压机用RHP系列高速机械手、多爪热锻简易机械手和组合式机械手等等机械手。可以将机械手拆分为各个运动构件，如升降、左右移动、伸缩、俯仰等机构。根据不同工厂的实际作业要求，选用各种功能太原工业学院毕业设计1不同的运动机构件，组装成各式各样用途的机械手，既便于设计制造，又便于跟换，使机械手的使用范围大大增加。1.1.2它的发展前景及方向（1）高精度精度是指旋转式机械手手部停留在预先设定的位置的准确程度，它与旋转式机械手的整体装配，电子元器件的质量以及闭环装置的运算等有关。如果一个旋转式机械手的到达指定位置不稳定，一般来说会有一个不变的误差距离，这个距离是能够测量到的，所以要经过闭环反馈来改正。目前现代化电子技术和现代控制技术的迅速进步，以及气动伺服定位系统的一体化进程。机械手的要求精度将迅速上升。（2）无给油化为了适应医疗、电子、加工、煤电、等行业的无污染要求，不加润滑脂并且不供油润滑元件已经在现代化中应用。随着材料技术的进步，新型材料（比如高分子等材料）的应用，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑机械元部件，不仅会大大节省润滑油、污染环境也会减少很多，而且还具有系统简单、寿命长、成本低、摩擦性能稳定的优点。（3）机电一体化由“可编程序控制器加传感器加气动元件”组成的普遍的控制系统，在当今来说在工业设计方面占有巨大的比重；发展与电子技术相结合的自动控制系统，使气动技术从“开环控制”进入到高精度的“闭环控制”；使现代化的电控系统的体积大大减小，集成化程度越来越高，而性能确越来越强悍，不仅大大减少配线、配管和元件，而且拆分便易，系统的稳定性与可靠性迅速提升。（4）高性能各种智能并且性能优越的阀大量被应用，它们的出现对提高气动旋转式机械手和各种机器的性能起到了十分重要的支持作用。目前工业上对零部件的精度要求越来越高并且不再要求机械手能适应各种各样的工作环境，所以对机械手的性能也就随之提高。特别是机械手，它对整个系统的集中控制起了十分重要的作用。太原工业学院毕业设计21.21.2选题背景选题背景1.2.1课题的提出随着中国国内工业自动一体化进程的迅速普及，在许多现代化工业现场的有很多危险的场合将来一定会被机器人所替代，例如易燃、易爆等以及重体力劳动场合等等。这一方面可以大大减轻工人的劳动强度并且由此解放生产力，在另一方面劳动生产率也因此有显著的提升。比如，目前在我国的许多劳动密集行业中需要人工来搬运工件，可是在搬运工业这一行业中，往往搬运这一工序还需要人体力来辅助，这样既影响效率，又费时费力。在某一工厂的柔性化生产系统中需要把从带轮上传送来的工件运送到要加工的运送传送带上面为此，我们把旋转式机械手的设计作为我的研究的课题。1.2.2课题的主要任务本课题将要完成的主要任务如下:（1）根据已有的机械手资料，通过设计各种机械手结构确定最适合，简单高效的旋转式机械手设计，并进行最终的最优化设计(包括材料的选择、结构的简单化、机械强度、方便快捷等)绘机械手总体图。（2）设计旋转机械手的各个机构，主要有旋转式机械手的手部、手臂支撑杆、基座、旋转座等部件的设计。为了设计的旋转式机械手应用性更强，机械手部位设计一定要灵活并且坚固耐用。（3）进行详细的结构尺寸拟定并进行工程量的计算。（4）结构承载能力极限状态的内力及强度计算。（5）绘制机械手结构图，完成设计说明书一本现有的机械手多为气爪，其采用高压气源作为动力，由于机械手抓取物料后往往需要旋转以便移送物料或对物料进行加工处理，而气爪连接有高压气管，在进行旋转时气管也会随之旋转，而容易造成气管缠结等问题，并且当今最多使用最多的就是手爪，即通过手爪的闭合来实现对物体的抓取，不过由于我们要抓取的对象为400mmx600mmx4mm的一大块钢板，所以这种气爪抓取的方式对太原工业学院毕业设计3于我们的对象来说是及其不适合的，所以我们要设计一种新型的抓取方式来实现我们的功能。1.31.3设计流程设计流程本课题所要解决的技术问题在于，提供一种旋转式机械手结构，结构简单，且可以避免现有机械手气管缠结而且不易抓取的问题。为解决上面描述的流程问题，我构思并提供了如下流程方案：图1.1旋转机械手设计与制作流程旋转机械手的最终方案确定是按以上流程进行的，前期的主要工作是对所需实现功能的分析，分析的深度决定机械手设计的合理性，这个阶段时间比较长，而且是整个机械手的设计和制作基础，设计过程较快，但是比较繁琐，需要注意很多的细节问题并不断地优化和改进。通过在计算机上绘制三维草图、装配图、零件图、在Proe上画出旋转机械手的三维视图，并且在设计过程中要体现的原则是“坚固、准确、迅速”。然后下一步就是分析阶段，通过三维图确定设计方向旋转机械手的创意与提案确定机械手的设计要求和参数初步设计详细设计组装调试试模拟运行优化明确目标制定进度计划学习查找资料确定机械手实现的动作和设计参数设计草图及说明讨论评选方案装配调试性能预测机械草图设计计算机械装配图零件图太原工业学院毕业设计4来分析存在的问题，并不断的解决，最终使机械系统达到稳定，以适应旋转式机械手设计的要求。1.41.4章节安排章节安排全文共分为五章，第一章为绪论部分，整体介绍全文的研究背景及全文章节安排。第二章主要介绍了现有的机械手在工业上的应用，以及对现有的机械手进行了分析。对本课题旋转式机械手的设计要求的提出。最后分别介绍了一些用到的机械部件如同步带轮、滚珠丝杆、真空吸盘、步进电机等的简单介绍，以及它们的功能与作用。并重点地对该机械手的各个部分的设计进行了详尽的说明和设计过程，并对其期间的各个设计结构进行了对比说明和优化说明对现有的机械手简要的介绍和分析，并提出了全新的设计要求。第三章对介绍了一些用到的同步带轮比起齿轮，链条等所具有的优点并对它进行详细的说明，以及刹车马达的一些基本机械知识和型材，并重点对旋转机械手各个机构模块进行了详尽的说明。将旋转式机械手分为“手部”“手臂”“立柱”“基座”四部分，并重点地对该旋转式机械手的各个部分的设计进行了详尽的说明和设计过程，机械手上用到的机械机构进行了全面介绍和分析。第四章主要对电机、支撑杆型、真空吸盘材的选用参数进行的设计计算，。第五章则是对全文的总结和展望。太原工业学院毕业设计522旋转机械手的分析旋转机械手的分析2.12.1旋转式机械手在工业中的应用旋转式机械手在工业中的应用在工业自动化设计与控制领域中会频繁看见旋转式机械手。旋转式机械手可以完成人工难以快速完成的许多工作，如高温工作、带电部门、放射性影响、漆雾、砂、尘以及繁重而劳动强度大、单调重复的工作。（1）在重工业方面的应用在重工业例如钢铁、制铝，等高温而又危险等重体力行业中，就要求实现自动化。为了提高人身安全以及对工作效率的保证，更重要的是对于高重量，件数少，速度慢和人工不能胜任的地方更要要机械手的帮助。（2）在轻工业方面的应用在轻工业方面机械手主要是用于运输大批量的工件，这种行业的特点是，体积小，件数多，在这种加工生产线，自动线上人力会疲劳而机械手可以一直工作下去，它在加工厂里面也有很大的应用，例如上下料。进一步在程序控制，自动化反馈等方面已经成为一个重要分支。2.22.2现有旋转式机械手的分析现有旋转式机械手的分析目前工业上大量使用的是如上几种旋转式机械手，这种方式的机械手对抓取整块以及体积不大的体积块来说非常实用，可是这种对于我们的研究对象钢板来说非常不适用，如果用以上的机械手来抓取，由于它抓取的是边缘，这样力臂就边变长了，无形之中对支撑臂的支撑力就有了很大的负担，加重了步进电机与丝杆的功率，并且抓取不牢固，显然这种抓取方式是不适用的。根据调查资料与咨询工人后，发现目前旋转式机械手大多采用液压传动，液压传动存如下缺点:（1）能量损失巨大，这对液压传动的旋转式机械手的使用范围大大减低，而且影响旋转机械手工作的连续工作能力。（2）温度影响。在液压传动工作时油温如果变大，油的粘度就会随着变大，进而引起运动特性的改变。（3）易发生泄漏。会污染工作场地，液压脉动和液体中极易混入空气进而发生爆炸。太原工业学院毕业设计6（4）制造工艺水平方面要求较高，并且使用维护等也需要较高的技术水平。本课题的旋转式机械手计划使用气压传动，使用气动技术的优点如下:（1）动作准，响应快。通常气动系统的响应时间为5ms-8ms。（2）气体在管道中受到的阻力小，在空气的传送过程中，阻力损失一般只到油路的。10001（3）提取介质与处理便捷。空气很容易被吸取，而后使用完处理后再排出，处理便捷，：清洁，堵塞管道等问题也很少出现（4）不受恶略环境的影响。在如高温工作、带电部门、放射性影响、漆雾、砂、尘以及繁重而劳动强度大、单调重复的地方可以连续工作。（5）气动极其便宜。由于使用时的压力范围通常比较低，对气动元件和零件的加工精度等要求也随之减低，可以大量制造，降低成本。由于真空泵、真空发生器等输送的气压比较低，吸取力比较小。气动技术作为旋转式机械手中的驱动作用已有大部分被机械手行业所接受。2.32.3旋转机械手的设计分析和要求提出旋转机械手的设计分析和要求提出（1）具有足够的握力(夹紧力)要确定旋转式机械手的升力大小，不仅要考虑工件重量、空气泄露的多少、效率提升外，还应考虑工件在传送过程中所产生的惯性力和振动，以确定工件不会产生松动或脱落以免造成财产及人身损伤。（2）抓取的位置一定要合适吸盘每次落下的两个极限位置的地方与钢板正中心的差距称为偏差。所以每次吸盘吸取钢板的位置应该在距离正中心不远处，若夹持不同直径的工件，应按最大距离考虑。（3）保证工件准确定位为使机械手和被夹持工件每次配合准确，必须根据所需要抓取工件的具体形状，选择相对应的机械手。例如我们所抓取的是平板但如果有圆柱形工件的话，采用什么办法克服，以便实现自动定心。在旋转方面我们要设计的旋转式太原工业学院毕业设计7机械手采用的是同步带轮，它的作用可以实现工件的快速准确定位，它将在第三章详细说明。（2）具有足够的强度和刚度机械手除受到被吸取的工件的受到的重力外，惯性力和振动对机械手的运动也有很大影响，还要求有足够的强度和刚度韧性等等以防折断或弯曲变形，所以机械手结构应该尽量简单紧凑，重量轻，并使机械手手部的中心线在支撑杆的回转轴线上，这样机械手的手部架构受力效果是最好的。因此要针对设计目的以及结合创新，分析与往的机械手不同之处，并利用这些信息对设计的旋转式机械手进行设计，并尽量掌握工业上要求的旋转式机械手的要求，为以后的结构改进打好基础，防止返工和出现不合规则要求的机械手。2.42.4旋转机械手所用到的机械部件简介旋转机械手所用到的机械部件简介根据设计方向以及前文所述的设计要求，在本章中将对旋转机器人的整体框架进行设计。机械手是需要机械和电子结合的，所以在设计旋转式机械手结构的同时也要考虑电路控制方面是否可以实现以及电器元件的合理安装，由于本文主要设计的是机械手的机械结构，所以重点论述的是机械部分。在下面主要介绍一下机械部件同步带轮、步进电机、滚珠丝杆，真空吸盘等的功能与作用。2.4.1同步带传动图2.1同步带传动方式太原工业学院毕业设计8带传动属于低惯性传动，它由于成本很小、运送稳定、原理易懂以及可以在传动中吸振，在现在代化工业中受到广泛应用。带传动分好几种（1）按型类分，常用的有平带传动、V带传动、多楔带传动和同步带传动等。（2）按材质分氯丁橡胶加纤维绳同步带，聚氨酯加钢丝同步带。（3）按齿形分梯形齿和圆弧齿两大类，按带齿的排布面又可分为单面齿同步带和双面齿同步带。同步带轮传动是由一个橡胶带上面带有齿（梯形齿或圆弧齿）和对应的轮所配合而成。它是以钢丝为抗拉体，外面包覆塑料或者橡胶而成的一种啮合运动，工作时，同步带轮的齿槽与同步带的带轮相互啮合传递运动和动力，因而具有绳传动、钢带传动、流体传动、齿轮传动、链条传动和平带传动等的好多优点。由于同步带与同步带带轮无相对滑动，两个的圆周速度即速比能确定一样，因此被称为同步带传动。它具有如下特点：（1）传动比恒定；（2）结构紧凑；（3）带薄而轻、抗拉强度高；（4）效率较高，可达0.98，因而应用日益广泛。旋转机械手设计上要求传动不可以打滑，所以我们在设计旋转式机械手时初步选定传动方式为同步带传动。2.4.2步进电机简介图2.2步进电机太原工业学院毕业设计9步进电机是一种将电脉冲信号变换成为相应的角位移或者制线位移的机电执行元件，如图2-2所示。在正常使用的情况下，每当输入一个电脉冲，步进电机就转动一个角度，前进一步。脉冲一个一个地输入，电动机就一步步转动，因此，这种电动机就称为步进电动机。又因为它输入的既不是正旋交流电，又不是恒定直流电，而是电脉冲，即又称为脉冲电动机。步进电机的转速、角位移与脉冲信号的频率和脉冲数成正比，负载变化对它没有影响，步进电机按照脉冲信号转动相应的角度被称为“步距角”也被叫做步距，步进电机的旋转是有固定的角度，它的大小与绕组的相数、转子的齿数和通电方式有关系。目前我国步进进电机步剧角为0.36到90给几个脉冲信号走相应的角度。因此人们通常是通过控制脉冲个数来控制角位移角度，进而达到目的的准确定位；同时控制电机转动的速度和加速度也可以通过控制脉冲频率来实现，从而实现调速。步进电机是一种感应电机，它有单相轮流通电、双向轮流通电和单双向轮流通电等方式。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。“单”是指每次切换前后只有一组绕组通电；“双”是指每次有两相绕组通电。步进电机是动力源，是机电一体化很重要的部件，在各种自动化控制系统中被广泛应用。随着现代化电子元器件的微小化和计算机技术的快速发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个行业的经济领域应用都非常广。2.4.3真空吸盘简介太原工业学院毕业设计10图2.3真空吸盘真空吸盘，如图2-3所示，又名真空吊具，通常作为真空设备重要执行元器件。总体来说，利用真空吸盘吸取工件是最快捷的办法之一。真空吸盘种类繁多，可分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘以及目前社会新出现的吸盘自适应吸盘和异形吸盘。真空吸盘在各种真空吸持设备上应用广泛。真空吸盘与控制真空压力的必要元件（真空切换阀、节流阀、真空压力开关、过滤器）组成一体化控制系统，实现作业的合理化、紧凑化。平直型真空吸盘的工作原理是；将真空吸盘通过气管把真空设备如真空发生器，真空泵等连接然后与将要被吸取的工件如钢板、木板等接触接着真空泵开始抽气使真空吸盘内产生气压低于外界大气压这样大气压就把工件与真空吸盘牢牢地牙合在一起随即开始运送被吸取的工件。当被吸取的工件运送到加工件的传送运输带上后通过换向阀或电磁阀快速换向，将空气快速充进真空吸盘内使真空吸盘内从负气压转变为等于或高于大气压的压力工件就从真空吸盘上面掉落最终实现了转移工件的任务。2.4.4滚珠丝杆简介太原工业学院毕业设计11图2.4滚珠丝杆滚珠丝杠是机械产品上将回转运动转化直线运动最适合的部件，如图2-4所示。滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能就是转化运动即将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滑动动作变成滚动动作。滚珠丝杆都用滚动轴承支承。可用的滚动轴承种类很多。就目前工业上普遍来说，主要用到二种。（1）接触角为60的推力角接触轴承，这种轴承可以组配，因此在丝杆轴承面对面组配用的多；摩擦力矩小（2）滚针-推力圆柱滚子组合轴承，这种，多用于重载，轴承刚度大。滚珠丝杠是一种机械行业上的一种最平常见的工具，它的作用就是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率等优点它的传动效率高达85-98，是滑动丝杆副的2-4倍雇主丝杆副的摩擦角小于1，因此不自锁。因此设计的旋转式机械手的升降装置上必须有制动装置。滚珠丝杆由于受到的摩擦阻力很小，因此滚珠丝杠被大量应用于各种各样的工业设备如车床，铣床等和精密仪器上面如光学仪器上面。2.52.5材料、构件与轻量化设计材料、构件与轻量化设计有些人设计时往往不大重视材料的选择，认为强度够大就可以了，但是却又对材料的特性没有实际的了解，往往选择的材料强度过大，没有达到最优化的设计。而且在实际中，工业上在质量上也有着严格的限制，因此选用何种材料构成机械或机器的机构本体是详细设计中肯定要遇到的问题。一个机构件的设计不仅是从材质、机构、配合、使用对象等各个方面加以设计用来解决所需要的切向力、形变、重量等等问题。本节将会提到一些轻量化的方法，比如打孔处理、优化截面形状等。2.5.1轻量化设计太原工业学院毕业设计12在机械手的设计阶段就要严格估计和控制每一个零部件的质量，零部件制作要考虑到质量，以便在总装配前对机器人的质心做到心中有数。减轻质量的措施很多，而我们常用的办法是在满足结构强度和刚度的前提下对材料进行打孔处理，这样做出来的产品不仅质量轻便而且美观大方。2.5.2材料与型材与一般的机械设备相比，旋转式机械手的动力学特征十分重要，这是材料选择的出发点，材料选择的出发点是；（1）强度高（2）弹性模量大（3）质量轻（4）阻尼大（5）经济性好旋转式机械手常用的材料有：（1）碳素结构钢；（2）铝或铝合金和其他轻合金材料；（3）碳纤维；（4)陶瓷旋转机械手使用的材料通常是金属材料。旋转式机械手载重和搬运中不应产生严重的形变和断裂，从力学的角度来说就是具有足够的强度。因此主要材料选用各种碳钢和铝合金。在旋转式机械手设计的主体构架的材料选用上，一方面要保证其结构的牢固性和抗撞性，另一方面考虑到设备连接方便可靠，综上考虑我选用了不锈钢。在一些零件的设计中我们还选用了铝材，主要目的是减轻机械手的总体重量，同时铝质材料更容易进行机械加工，比如机械手的基座、筒体等零件我们采用了铝材。另外我还引进了新型的材料碳纤维，具有强度高、质量轻而且还有可钻、可钉、可锯的良好的加工性能，因此我选用了该材料做机械手，这样在大的冲击下，也可以保证其使用寿命。材料截面对构件质量和刚度施加重要的影响，因此通过合理选择构件的截面可以较好的满足旋转式机械手设计的使用要求，如空心圆截面、空心矩形截面、工字截面等，表2-1为空心矩形截面与空心圆截面对比特点对比。表2-1空心矩形截面与空心圆截面对比空心矩形截面空心圆截面太原工业学院毕业设计13因此从各个方面来看，空心矩形截面都比空心圆截面的刚性优越。从设计、装配的角度来看，矩形截面也有一定方便之处。圆截面型材用作伸缩关节时则比较容易装配。除了上述两种界面外，还可以采用角钢、角铝或者工字截面的型材。在旋转式机械手的设计上，还用到多种非金属材料，如橡胶传动带、碳纤维、真空吸盘、各种粘结剂等。2.62.6本章小结本章小结本章是该论文部分的核心内容，主要介绍了现有的机械手在工业上的应用，以及对现有的机械手进行了分析。对本课题旋转式机械手的设计要求的提出。最后分别介绍了一些用到的机械部件如同步带轮、滚珠丝杆、真空吸盘、步进电机等的简单介绍，以及它们的功能与作用。同步带轮的功能就是将步进电机的转动传动到旋转机构上，真空吸盘就是抓取工件如钢板的，而滚珠丝杆就是将旋转运动转换为直线运动，从而向上提升工件。并重点地对该机械手的各个部分的设计进行了详尽的说明和设计过程，并对其期间的各个设计结构进行了对比说明和优化说明。空心正方形截面比空心圆截面的惯性矩高69%84%，而质量仅仅增加27%。壁厚越薄，则效果越明显R=a壁厚h=t相同条件优劣计算出空心正方形截面的壁厚为t2=0.147a，空心正方形截面比空心圆截面的刚度提高了40%60%。且d=a，设空心圆截面壁厚t1=0.2a空心矩形截面空心圆截面截面相等优劣L=a壁厚h=t厚h=t太原工业学院毕业设计1433旋转机械手的结构设计旋转机械手的结构设计3.13.1旋转机械手所涉及的组成部分简介旋转机械手所涉及的组成部分简介（1）手部它是与工件直接配合的机构。目前分为夹持式和吸附式手两种，在本旋转式机械手的设计中，我们选择吸附式手部结构。吸附式手部由真空吸盘(或电磁吸盘)和真空泵、电磁阀、流量控制阀、流量开关等部件所构成。真空吸盘是与物件直接接触的构件，常用的手部真空吸盘形式有可摆动型和带阀负重型，接头可分快插，倒钩等等种类。平型的真空吸盘易于制造，结构简单，故应用范围较广。风琴可摆动型应用较少，它的结构稍微复杂，但风琴可摆动型可吸取棒形零件，还能吸取平板型的工件，因此适宜作为我们设计的旋转式机械手的设计工件。真空吸盘的数量及型号是根据于被抓取物件的被抓部位(是边缘或是工件的中间部位)、工件的轻重、大小、表面形状等。工件被抓取是通过吸盘产生的吸力来实现吸取工件的任务，所涉及的原理将会在下面进行详细介绍。（2）手臂手臂即设计任务中的支撑杆，它是支承起被吸取的工件、机械手手部、提升工件的重要支撑部件。支撑杆的功能是带动旋转式机械手去抓取工件，然后遵循给定的程序把工件转移到运送工件的传送带上面。工业上的旋转式机械手的支撑杆一般是由驱动手臂运动的部件与动力源(如液压、气压或电机等)相组装，用来完成旋转式机械手手臂的各种各样的复杂动作。在第四章对它进行详细的参数计算，以保证它能支撑旋转式机械手要抓取的工件所受的重量，不会因工件重量过大而折断。（3）立柱立柱是支承支撑杆的重要部件，是不可或缺的组成机构，工件要实现的旋转转移和提升都与立柱有着重要的关系。它涉及的摩擦，刚度、强度与以后的旋转式机械手的工作效率有很大关系，在这章中会对它涉及的摩擦进行详细介绍。（4）基座基座是旋转式机械手的重要组成部分，它相当于地基。旋转式机械手执行机构的各机构部件（手部、手臂、立柱）和驱动系统，电子元部件全部安装于基座上，故基座起很重要的支撑和连接作用。它是旋转式机械手立足的根本，太原工业学院毕业设计15只有基座稳定，可靠，整个旋转式机械手才能发挥它应有的功能，否则如果基座不稳，再好的控制系统，再好的旋转式机械手都不能发挥它应有的作用。3.23.2旋转机械手各部位机构的具体结构旋转机械手各部位机构的具体结构经过我多次的修改，我的旋转式机械手的支撑设计已经趋于完善，在设计方面对支撑的各类要求（强度、刚等）基本都能达到。而在旋转式机械手的支撑的设计部分中，最优化设计可以说是由多支撑柱的减重设计，这样既保了强度，同时又节省了材料并且兼顾美观，因此在强度和抗撞击性方面与其他以往的设计相比都得到了有效的增强。以下让我来详细描述。3.2.1底盘旋转结构的设计在前期的旋转式机械手设计方案中，我构思了多种支撑旋转结构的方案，然后对各种设计方案进行比较在传动方面。考虑传动效率的高低、相对路程、力矩等因素，故在比较分析了同步带轮传动，齿轮传动（可很好实现平移），链条传动（四轮同时着地是个不太好解决的问题）的利弊，并结合整个旋转式机械手设计的总体需求的情况下，故选用了同步带轮传动。同步带轮的优点（1）速比不变，同步带轮不会出现打滑现象。（2）传动平稳，同步带轮能吸收震动因此噪音比非常小，比起齿轮传动，链条传动来说具有巨大优势。（3）效率高，达到9899。能源利用率高。（4）不需要定期维护，如果选用齿轮，需要定期润滑，因而也不会有污染出现。（5）可以进行远距离传动。太原工业学院毕业设计16图3.7基座图3.8同步带轮轮效果图图3.7为基座，基座负载整个旋转式机械手的重要，它牢牢固定在工厂的地面。图3.8为在基座上固定的步进电机与同步带轮（右）在左边为传动的同步带轮，它负载着升降装置与机械手。由于旋转式机械手要求随时传动动力的要求，再加上传动力矩限制，因此要选择最适合旋转式机械手设计的同步带轮。结合工厂对旋转式机械手的旋转要求，通过查询同步带轮资料，从齐齐哈尔大学学报发表的一篇论文“梯形齿与双圆弧齿同步带传动精度分析”中得知双圆弧齿同步带轮的传动精度、传动噪声、冲击振动小于梯形齿同步带轮。因此选择了双圆弧形齿形作为旋转的同太原工业学院毕业设计17步带轮。为了进一步增加其旋转式机械手的旋转效果，在保证精度、稳定性、安全性的情况下，、在旋转式机械手的设计中增加了一些辅助结构。我在旋转式机械手的基座上加了检测同步带张力的检测装置，同步带如果使用长久的话，会产生疲劳，这样使用长久可能会发生打滑现象，进而进一步磨损同步带轮和同步带，会带来恶性循环，当同步带轮达到一定使用年限时，它的张力减小，一旦张力低于某个设定的数值，检测装置就会鸣叫，提醒工作人员更换同步带。这样不仅仅省时省力，而且提高了效率，安全率。上文说过，我的旋转式机械手机构是选用的双圆弧齿同步带轮，主要考虑是其能够在精确而又经济的情况下选定，使移动过程方便并节省运行时间。3.2.2升降结构的设计升降部分的设计过程中，我们更改了很多的方案。在第一次设计旋转式机械手机构升降的时候由于设计的结构太复杂太多使得整体升降太重，造成了其提升效果很不理想，而且很容易使电机因过流而损坏。因此，在全面考虑各个方面的细节问题及其规则的基础上，我们对现有的机械结构进行了优化设计。经过我的认真思考，我最终选择了在机械结构上解决这一问题，但必须是在保证其设计思路和整体原理不变的情况下进行优化。因此，我们把选用的干性摩擦换成了现在的滚动摩擦的滚珠丝杠，提升的立柱方钢管则由圆铝管代替。并对其他的机械结构进行精简处理，这样在最终的优化结构出来后，其质量减少了近13。太原工业学院毕业设计18图3.9升降部分图3.10整体升降效果图图在主体设计完成后，在后面的设计精简过程中，由于需要不停的上下托举旋转式机械手臂，发现下面的步进电机在托举机械手臂提升和下落的过程中，电机有卡死的现象出现，不能够正常的升起和下落。因此在分析该机构的稳定性后，发现在提起旋转式机械手臂的过程中，由于机械手臂的重心离支撑的提升支撑点距离长，其力矩较大，造成了后端的滚珠丝杆受力太大，由直线轴承与立杆间的滚动摩擦变为了硬性的滑动摩擦，是不利摩擦，因为在提升时，该摩擦力有时大于该提升电机提供的最大力矩而不能被提起或下落。找到原因后，我们两边加了支撑定位杆，使用之后发现效果很好。太原工业学院毕业设计19图3.11轨道部分由于选用的是步进电机，不能让步进电机的轴来实现制动，因为在电控控制方面很难做到精确定位，当电机达到某一位置时会出现左右滑动的情况，不能固定在某一位置。而且如果到达某一极限区域时，不能立即让电机断电，电机有可能堵转，烧坏电机。因此在电机轴的末端，通过同步带轮连接作为联轴器加一电子刹车装置，当其运行到指定的位置时，通过程序控制，让刹车马达通电，同时让电机断电（防止电机堵转而烧坏电机）使其锁紧而达到精确定位的目的。图3.12位刹车马达太原工业学院毕业设计20刹车马达可以控制电机具有的惯性，达到精确定位的目的，可以达到旋转式机械手连续工作的目的。实现旋转机械手控制系统中的起离合与换向。它的原理是在刹车马达的尾部有一个电磁抱刹，当电机给予动力源时，它同样给予动力源，这时它对电机不制动；当步进电机停止转动时，刹车马达也停止转动，抱刹在弹簧的作用下刹住电机。它具有以下几个优点（1）易于装配、构造易懂，占有空间小、轻重量；（2）寿命高（3）无论电机正转还是负转刹车马都可以制动；（4）低噪音；（5）响应时间短；为了保证安全性，我在导柱上面加装了限位开关，一但步进电机有任何的损坏或者有其他意外，当上升或下降到安全范围后碰触到触碰开关，这样开关吧信号发送到控制系统，控制系统就可以通过预先设定的程序对旋转机械手进行控制，使电机立即停止工作，这样就不会损伤机器或者人了，保护了人身与财产安全。3.2.3支撑杆的设计该支撑杆选用的是高强度的方铝管，这样能保证所需要的刚性，强度，而且还有良好的轻度，使用寿命长。而截面部分是选用的空心配合，并在表面某些位置打孔使轻量化设计达到最大的提升。太原工业学院毕业设计21支撑杆部件是机械手很重要的机构。它的主要功能就是支撑旋转式机械手手部（包括工件或工具），并带且在固定的范围内移动。旋转式机械手在空间内的运动通常是由驱动机构和各种传动机构来实现，从支撑杆的受力情况分析，它在工作中即直接承受机械手手部、升降带来的加压，旋转带来的惯性。因此，它的灵活性能、工作范围、机械结构等在机械手的工作性能上直接体现出来。（1）支撑杆计的基本要求1杆部应承载能力大、刚度好、自重轻根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。合理布置作用力的位置和方向。注意简化结构。提高配合精度。2杆部运动速度要高，惯性要小3支撑杆动作应该灵活总结：综合考虑以上条件，按照工厂的要求并对设计出的旋转式机械手进行不停的优化，才能设计出结构简单、性能卓越的旋转式机械手。（2）手臂的典型机构以及结构的选择可以满足设计要求的支撑杆机构有以下几种：1方管。2圆管；3平板加加强肋。通过以上，综合考虑，本设计要求支撑杆垂直移动，选择铝材质材料，这样可以减少手臂运动件的重量，可以减少机械手整体的惯量。导柱通过焊接与支撑板相连，再通过焊接与下面的旋转支柱相连接。这样保证了旋转式机械手的稳定性。这样更加牢固。为了实现手臂动作应该有的灵活，提升旋转式机械手对工件的工作效率，以及为减少手臂运动之间的摩擦阻力，可用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于本课程要求的旋转式机械手，其传动部件、导向件和定位件布置应该合理，使手臂太原工业学院毕业设计22运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。图3.13截面形状等3.2.4机械手的结构设计由于我的设计要求是转移钢板，按照制定指令、步骤和要求来实现最终自动抓取、转移的机械机构。它由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。而通常的机械手多为两指机构或多指机构，我所设计的旋转式机械手采用真空吸盘的方式，采用的方法是真空吸盘接触钢板厚，由真空泵抽气使真空吸盘里面的气体抽空，所以真空吸盘与钢板接触的部分是负压，真空吸盘就把钢板牢牢系在一起，当把钢板转移到指定地方后，真空泵再给真空吸盘加压使里面充满气，而使真空吸盘与钢板实现快速分离，节省时间，提高效率。以下为机械手的整体结构图。图3.14真空机械手太原工业学院毕业设计23在取钢板的机械手设计过程中，在考虑其尺寸限制和取钢板时的迅速性，故加进了电磁阀来解决该问题，以下则主要通过研究执行机构的手部、腕部和臂部的常用结构，并通过自身分析来介绍说明旋转式机械手臂具体结构和设计思路。（1）机械部分直接与工件接触的机构，可以用电磁吸盘（主要吸取主要含有铁的金属工件）和真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，表面基本平坦的零件或薄板类零件）。真空吸盘有以下优点1不对工件有损害。这是它最大的优点，由于真空吸盘材质是橡胶，对工件吸取不会在它表面留有痕迹。而挂机械夹手和钢缆式吊具就不以。在某些行业中，对工件表面的要求有特别严格的规定，所以只能用真空吸盘。2利用便捷。不管被吸取的物体是什么材料，只要能做到密封性好即不漏气，就能利用。3没有污染。真空吸盘环保性好，环境污染很小，而且没有光、热，电磁等产生。4损耗严重。真空吸盘材质通常是橡胶，并且直接与工件接触，损耗快。综合考虑用真空吸盘比较合适图3.15机械手手部与支撑杆在本设计课题中要抓取的对象为400mmx600mmx4mm的一大块钢板，并且在搬运工件中可能会出现长圆柱形状的工件，也有可能会有其他金属类的板件，太原工业学院毕业设计24或者板面形状是凹凸不平的，因此我们选择长风琴型的吸盘，这样可以进行多用途，不会只能用于单纯的平板类以及金属类的部件。（2）控制部分我们主要来讨论真空吸盘对工件的吸取，这取决于控制真空吸盘里的气压是处于大气压还是处于负压状态，因为电磁阀具体换向功能，所欲我首先想到得是使用电磁阀来控制气体的流通方向来实现真空吸盘的气压状态，