机械手模型设计及制作
46页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+6张CAD图纸【详情如下】
任务书.doc
夹紧气缸缸体.dwg
封面.doc
手臂伸缩手腕回转.dwg
手臂升降回转.dwg
手部.dwg
机械手模型设计及制作开题报告.doc
机械手模型设计及制作论文.doc
电路图.dwg
装配图.dwg
计划周记进度检查表.xls
摘要
科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手有着深远的科教意义。
本课题设计的教学型搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的回转。设计中分析了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转。设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。
关键词: 机械手；气动装置；四自由度；控制系统
目 录
1 绪论1
1.1 机械手概述1
1.2 机械手的组成和分类1
1.2.1 机械手的组成1
1.2.2 机械手的分类4
1.3 国内外发展状况5
1.4课题研究的主要内容6
1.5教学用机械手的功能要求及现实意义6
1.5.1 教学用机械手的功能要求6
1.5.2 教学用机械手的现实意义6
2 机械手的设计方案7
2.1 机械手的座标型式与自由度7
2.1.1 机械手的坐标型式7
2.1.2 机械手的自由度8
2.2 机械手的手部结构方案设计8
2.3 机械手的主要参数10
2.4 机械手的技术参数列表11
3 机械手机械系统设计12
3.1 手部结构设计12
3.1.1 设计时考虑的几个问题12
3.1.2手爪夹持装置的机构选型12
3.1.3 手部夹紧气缸的设计13
3.2手腕结构设计17
3.2.1 手腕的自由度18
3.2.2 手腕的驱动力矩的计算18
3.3手臂结构设计22
3.3.1手臂伸缩与手腕回转部分22
3.3.2手臂升降和回转部分24
3.3.3手臂升降气缸的设计24
3.3.4手臂回转缸体的设计27
4 机械手气压系统的设计29
4.1气压传动系统工作原理图29
4.2气动元件介绍29
5 机械手控制系统设计33
5.1 控制系统的结构分类33
5.2 控制方式33
5.3机械手的控制34
6 结论与展望36
致谢37
参考文献38
1.4课题研究的主要内容
机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。设计该机械手手臂升降的平均速度为0.05m/s，平均回转速度设计为/s，伸缩平均速度为0.05m/s，手腕平均回转速度为/s。
除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。所以，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径约为1000mm。手臂回转行程范围定为0-。手臂升降行程定为200mm。定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为±0.5mm。
2.4 机械手的技术参数列表
一．用途:教学型机械手
二．设计技术参数:
1．抓重：10千克
2．自由度数：4个自由度
3．座标型式：圆柱型座标
4．最大工作半径：1000mm
5．手臂最大中心高：1380mm
6．手臂运动参数
伸缩行程400mm
伸缩速度50mm/s
升降行程200mm
升降速度50mm/s
回转范围00-2400
回转速度900/s
7．手腕运动参数
回转范围 00-1800
回转速度1800/s
8．定位精度：±0. 5mm
9.缓冲方式：液压缓冲器
10．传动方式：气压传动
11.控制方式：点位程序控制(采用单片机)
本课题主要研究了国内外机械手发展的现状，阐述了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉了机械手的运动机理。在现有机械手技术基础上，确定了教学型搬运机械手的基本系统结构，对机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手传动部分、执行系统、驱动系统等系统的相关设计，并对机械手的控制技术进行了一定的阐述。
1.5教学用机械手的功能要求及现实意义
1.5.1 教学用机械手的功能要求
本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，实现手部四自由度运动，完成物件的搬运工作。能通过相关的演示可以给学生直观的印象，在这种前提和背景下，这就要求所设计的机械手达到以下目标：
1.成本低廉，必要时可以降低精度要求；
2.机械结构简单，便于学生掌握机械手结构特点；
3.性能良好，可以较好的完成演示动作；
4.各部分结构最好方便拆卸，以便于维修保养。
1.5.2 教学用机械手的现实意义
科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手有着深远的科教意义。
2 机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
本次设计的机械手是一台教学用搬运机械手，通过相关的演示可以给学生深刻的印象，在这种前提和背景下，这就要求所设计的机械手成本低廉、性能优越、结构简单等，必要时可以降低精度要求。
2.1 机械手的座标型式与自由度
2.1.1 机械手的坐标型式
机械手的坐标型式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构型式及其相应的特点，分别介绍如表2-1： 行机械结构设计时必须兼顾控制部分的要求。直角坐标型机械手的控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低；球坐标型机械手结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足；关节型机械手的运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度最大，机械手臂的刚度很差。综合看来，圆柱坐标型机械手结构刚度较好，控制难度较小，本设计是设计一台教学用搬运机械手，因此用于本次毕业设计的选型比较合适。
2.1.2 机械手的自由度
自由度是指描述物体运动所需的独立运动参数的数目，三维空间需要6个自由度。所谓机械手的运动自由度是指确定一个机械手操作位置时所需的独立运动参数的数目，它表示机械手动作的灵活程度。[5]
一般固定程序的机械手，动作比较简单，自由度数较少。工业机器人自由度数较多，动作灵活性和通用性较大。一般说来，机器人靠近机座的3个自由度是用来实现手臂未端的空间位置的，再用几个自由度来定出未端执行器的方位：7个以上的自由度是冗余自由度，是用来躲避障碍物的。
自由度的选择也与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，周围设备构成比较复杂，工件质量轻时，机械手的自由度数可少；如果要便于产品更换，增加柔性，则机械手的自由度要多一些。
计算机械手的自由度时，末端执行器的夹持器动作是不计入的，因为这个动作不改变工件的位置和姿态。在满足机械手工作要求前提下，为简化机械手的结构和控制，应使自由度数最少。
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