壁面爬行机械手结构设计【四自由度】【4张图纸】【优秀】
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壁面爬行
机械手
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自由度
图纸
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壁面爬行机械手结构设计
32页 13000字数+说明书+开题报告+外文翻译+4张CAD图纸
A0装配图.dwg
中期.doc
壁面爬行机械手结构设计开题报告.doc
壁面爬行机械手结构设计论文.doc
外文翻译--机器人机械手.doc
手部分A3.dwg
机械臂螺栓A4.dwg
25轴A3.dwg
摘要
在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，同时机械手可以代替人工在特殊环境工作，以完成复杂环境的工作要求。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作。本文将设计一台四自由度的工业机械手，用于在核废液储蓄罐内送取焊缝检测器。首先，本文将设计机械手的手爪、大臂、小臂等结构，然后计算所需数据，选择合适的传动方式、驱动方式以及连接方式。从而完成机械手整体的设计，以达到设计要求。
关键词：驱动方式；传动方式；机械手
目 录
1 绪论1
1.1 前言和意义1
1.2 工业机械手的简史1
1.3 国内外研究现状和趋势3
1.3.1国外发展现状和趋势3
1.4 本课题背景研究意义4
2 总体结构6
2.1坐标型式6
2.2驱动形式的选择7
3 手爪设计11
3.1 手部设计基本要求11
3.2 典型的手部结构12
3.3 机械手手爪的设计计算12
3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置12
3.3.2 手爪夹持范围计算14
3.3.4滑动丝杠设计15
3.3.5 直齿轮设计17
3.3.6电机选型18
4 臂部及腕部设计20
5 结论25
6 参考文献26
致 谢27
本机械手设计参数
夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。
检测器最小尺寸：200*100*30 mm3重量1.0kg
检测器最大尺寸： 300*200*100 mm3重量2.0kg
机械手类型：关节坐标式
机械手总高：1000mm
机械手最大回转角度：360
机械手自由度：4 自由度
机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。机械手原则设计
机械手设计总的原则有三条：一是手部尽可能覆盖较大空间；二是根据对方态势调整自身姿态；三是以最轻的自身重量达到合理的最大负载能力。
2.4自由度
机械手的设计其实是模仿人臂的功能为基础，再根据实际应用情况进行具体设计处理。人臂的肩、肘和腕关节共有六个自由度，其中大臂和腕部能做两个方向的摆动，小臂能做一个方向的摆动和有限的转动。本设计引入运载车，以使机械手能在罐内移动，可以省略其肩部和腕部的横向移动运动，故本设计只需四个自由度即可，满足课题要求。机械手工作方式如图2.2所示。
- 内容简介：
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毕业设计（论文）开题报告题目：壁面爬行机械手结构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012年12月25日1毕业设计（论文）题目背景、研究意义及国内外相关研究情况。1.1 课题名称壁面爬行机械手结构设计1.2 课题研究背景和意义 机械手是能模仿人手和臂的某些功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手并不是简单意义上的代替人工的劳动，而是综合了仁德特长的机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间工作、精确度高、坑恶劣环境的能力。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械手与有人类的手臂最大区别就在于灵活度与耐力度。机械手的应用也将会越来越广泛,机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备，作业的准确性和在特殊环境中完成作业的能力。工业机械手机器人的一个重要分支。按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。因而广泛应用于机械制造、冶金电子、轻工和原子能等部门。机械手可以减省工人、提高效率、降低成本、提高产品品质、安全性好。多关节机械手更具有以下优点:动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作.随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性，定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不断的加大。因此。本课题对四自由度折叠式机械手的研究具有积极的现实意义。1.3 机械手分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。1.4 机械手结构组成机械手的组成：机械手主要有执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。机械手设计具有三个原则：一是手部尽可能覆盖较大空间；二是根据对象态势调整自身姿态；三是一最轻的自身重量达到合理的最大负载能力。图1.1 机械手组成1.5 我国机械手发展现状及前景目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、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、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。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，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，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。发展前景及方向：1 重复高精度 精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度, 它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复多次, 机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要, 如果一个机器人定位不够精确, 通常会显示一个固定的误差, 这个误差是可以预测的, 因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围, 它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高。2 模块化。 有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术, 而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置, 使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能, 扩大了机械手的应用范围, 是机械手的一个重要的发展方向。3、无给油化。为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求，不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料（如烧结金属石墨材料）的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4 机电一体化。 由“可编程序控制器- 传感器- 液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面;发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件, 使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”; 省配线的复合集成系统, 不仅减少配线、配管和元件, 而且拆装简单, 大大提高了系统的可靠性。而今, 电磁阀的线圈功率越来越小, 而PLC的输出功率在增大, 由PLC直接控制线圈变得越来越可能。 2本课题研究的主要内容和研究方法或措施。本设计主要用于抓取核工业用壁面爬行机器人。需要综合分析机械手各组成部分的设计方案。2.1 本课题研究的主要内容。 （1） 了解工业机器人的发展及在工业生产中的应用、基本结构和工作原理。 （2） 了解并分析壁面爬行机械手的工作路线。 （3） 完成该机械手的结构设计和主要部件的设计计算。 （4） 应用软件绘制所设计机械手的装配图。2.2拟采用研究方案。 （1） 执行机构机器人的手又称末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。执行机构大致有以下几类：夹钳式，吸附式，专用操作器及转换器，仿生多指灵巧手。本设计用于抓取核工业用壁面爬行机器人。夹持对象：焊缝检测器，形状为矩形。检测器最大尺寸：200*100*30 mm3重量1.0kg检测器最小尺寸： 300*200*100 mm3重量2.0kg （2） 传动机构设计由于罐体内空间狭小，在保证抓取能力的条件下，结构应该尽可能紧凑，故采用折叠式的设计。机械手在过道的移动可以依托运载车来完成，爬壁机器人可在灌壁自行移动，所以可以选择四个自由度。结构如图二图2.1 爬壁机器人结构示意图 （3） 传动方式表1传动方式对比名称特点直接连接传动驱动源或带有机械传动装置直接与关节相连。远距离连接传动驱动源通过远距离机械传动后与关节相连。间接驱动驱动源经一个速比远大于一的机械传动装置与关节相连。直接驱动驱动源不经过中间环节或经过一个速比等于一的机械传动这样的中间环节与关节相连。本设计选用直接连接传动 （4） 驱动系统驱动系统完成机械臂的升降、伸缩以及机械手抓取物体时执行部分的张合。目前应用较广的驱动系统有：气压式驱动，液压式驱动，电动式驱动，机械式驱动。各种传动方式比较如下表2驱动方式对比传动方式优点缺点液压驱动运动平稳，易于控制，便于安装，易于调试，负载大，动作缓慢，精度低，污染大气压驱动结构简单，重量轻，动作迅速平稳可靠，过载保护性能好，不污染工作环境负载较低，需要气源电动驱动结构简单，安装方便，自身重量轻负载较低，需要电源本设计选择电动驱动3 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作 对机械手相关专业知识了解不足，通过学习相关资料补充不足。参数的计算确定将是本课题的难点，但我会通过学习，秉着踏实、细致、认真的态度完成本课题的设计。已展开的工作包括大量阅读参考文献，了解机械手的组成、原理等相关知识，搞清机械手设计步骤、过程以及将要面临的几大工作重点及难点。 4 完成本课题的工作方案及进度计划 13周：调研并收集资料。 36周：确定设计方案和整体结构特点。 711周：完成结构设计计算。 1215周：完成机械手结构设计的总装配图。 1618周：完成论文撰写，准备答辩。 毕业设计（论文）的工作量要求：毕业设计论文一篇，不少于10000字； （1）实验（时数）或实习（天数）：2周 （2）图纸（幅面和张数）：A0图纸（折合）2张； （3）其他要求：外文翻译不少于3000字，参考文献不少于15篇。 五、指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 六、所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日参考文献1 濮良贵，纪名刚主编，机械设计（第八版），高等教育出版社，2006.52 蔡自兴. 机器人学M. 北京：清华大学出版社，2006. 3 宋伟刚. 机器人机械系统原理、理论方法和算法M. 沈阳：东北大学出版社，2001.4 李建勇. 机电一体化技术M. 北京：机械工业出版社，2005. 5 刘杰等. 机电一体化系统设计M. 沈阳：东北大学出版社，1997.6 潘霈霖、杨宏、高波、吴伟光.哈尔滨工业大学学报.第26卷 第4期.1994.7李允文.工业机械手设计.机械工业出版社.1996.48韩秋实主编.机械制造技术基础(第二版)M.北京.机械工业出版社,20049范印越.机器人技术.北京:电子工业出版社.198810毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师,2008(7):5一711 孙立宁.机器人技术国内外发展状况J .国内外机电一体化技术，2002(4):29- 41.12潘霈霖，吴伟光等.机器人挠性手臂的结构与设计.哈尔滨工业大学学报.199113李建藩，气压传动系统动力学.广东：华南理工大学出版社，199114余达太，马香峰等著.工业机器人应用工程.北京：冶金工业出版社，199915马香峰.工业机器人的操作机设计.北京：冶金工业出版社199616Tsunco Yoshikan.Manipulability of Robotic Mechenisms. The International of Robotic Research.1985.17 Hagen S Neptune: above
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