纱锭搬运三爪机械手应用于生产线上代替工人工作，它把工人从复杂、繁重、疲劳、的工作环境中解脱出来，是人类的好伙伴，是工业制造领域重要的生产和服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，也是一个企业现代化水平的重要标志，同时可以减少企业的成本，提高企业的效益。本课题要求根据装卸搬运的生产需要，完成通用机械手回转与升降功能部件的结构设计。有助于培养学生运用所学基础知识、基本理论进行一般机械产品结构设计的综合能力。由于本课题研究的三抓机械手的额定负载较小，体积和重量均要求较小，且结构简单，纱锭怕污染，综合分析后，决定采用气压缸来实现对纱锭的搬运，而且可以采用简易的开关来控制。

关键字：纱锭；搬运；机械手

Abstract

The spindle carrying three claw manipulator used in the production line to replace the workers, the workers from the heavy, complex, fatigue, work environment in relief, is a human partner, is the industry an important production and service equipment, automation equipment in the field of advanced manufacturing technology can not lack, but also it is an important mark an enterprise modernization level, also can reduce the enterprise cost, improve the efficiency of enterprises. This topic request according to production needs handling, structure design general mechanical hand rotary and lifting parts. To help students learn to use the basic knowledge, basic theory of comprehensive ability of general mechanical product structure design. Because the three grasping manipulator rated the study load is smaller, the volume and weight are small, and the structure is simple, the spindle is afraid of pollution, comprehensive analysis, decided to adopt air cylinder to achieve the spindles handling, but also to control the simple switch.

Keywords: Spindle; Carry; Manipulator

摘要2

Abstract3

第1章绪论7

1.1 目的及意义7

1.2 国内外研究现状与发展趋势7

1.2.1国内的研究现状7

1.2.2国外研究现状8

1.2.3发展趋势9

1.3 本设计主要研究的内容11

第2章纱锭搬运机械手的方案设计12

2.1 机械手的方案设计12

2.1.1方案一（如图1）所示12

2.1.2方案二（如图2）所示12

2.1.3方案三（如图3）所示13

2.2 机械手的方案可行性分析13

2.3 设计的创新之处14

2.4 设计的产品应用14

第3章机械手的结构设计15

3.1手抓设计计算15

3.2连接杆的设计计算15

3.2.1 连接杆强度计算17

3.2.2 连接杆的疲劳强度校核18

3.2.3 连接杆的接触应力校核20

3.3 手指座的设计校核21

3.4 连接架的设计与校核22

3.5连杆设计与校核24

第4章气缸的设计28

4.1 气缸的介绍28

4.2 气压缸工作原理28

4.3气缸的校核31

4.5缸筒和缸盖的连接32

4.6气缸推力验算32

总结33

致谢34

参考文献35

第1章绪论

1.1 目的及意义

机器人技术是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要方面。是近40年来发展起来的一门交叉性学科，它涉及电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科领域。工业机器人与其它设备组成的生产线极大地提高了企业的生产率、提高和稳定了产品质量、大大缩短了产品更新换代的周期，机器人的出现和发展已使传统工业生产的面貌发生了根本性变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化、跨入智能化的新时代。机器人不仅在工业上应用愈来愈广，而且正在社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、抢险救灾、军事等领域开拓新应用，以代替人在其无法适应的特殊环境下工作，这将极大地扩展人类生产和活动的范围，大大提高人类创造性劳动的能力。在某种程度上机器人水平的高低能反映一个国家的综合国力和科技水平的发展。

该机械手应用于生产线上代替工人工作，它把工人从复杂、繁重、疲劳、的工作环境中解脱出来，是人类的好伙伴，是工业制造领域重要的生产和服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，也是一个企业现代化水平的重要标志，同时可以减少企业的成本，提高企业的效益。本课题要求学生根据装卸搬运的生产需要，完成通用机械手回转与升降功能部件的结构设计。有助于培养学生运用所学基础知识、基本理论进行一般机械产品结构设计的综合能力。

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内容简介：: 本科毕业设计开题报告题目纱锭搬运机器人三爪机械手设计院（系）：机械工程学院班级：机设 10-4 班姓名：范祥明学号： 2010022521 指导教师：赵存友教师职称：副教授 nts 黑龙江科技大学本科毕业设计开题报告题目纱锭搬运机器人三爪机械手设计来源工程实际 1、研究目的和意义机器人技术是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要方面。是近 40 年来发展起来的一门交叉性学科，它涉及电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科领域。工业机器人与其它设备组成的生产线极大地提高了企业的生产率、提高和稳定了产品质量、大大缩短了产品更新换代的周期，机器人的出现和发展已使传统工业生产的面貌发生了根本性变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化、跨入智能化的新时代。机器人不仅在工业上应用愈来愈广，而且正在社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、抢险救灾、军事等领域开拓新应用，以代替人在其无法适应的特殊环境下工作，这将极大地扩展人类生产和活动的范围，大大提高人类创造性劳动的能力。在某种程度上机器人水平的高低能反映一个国家的综合国力和科技水平的发展。该机械手应用于生产线上代替工人工作，它把工人从复杂、繁重、疲劳、的工作环境中解脱出来，是人类的好伙伴，是工业制造领域重要的生产和服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，也是一个企业现代化水平的重要标志，同时可以减少企业的成本，提高企业的效益。本课题要求学生根据装卸搬运的生产需要，完成通用机械手回转与升降功能部件的结构设计。有助于培养学生运用所学基础知识、基本理论进行一般机械产品结构设计的综合能力。 2、国内外发展情况 (文献综述 ) 工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织 (ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 1。在教育领域，许多院校已在学生中开设了机器人学方面的有关课程，但与世界先进国家相比，我们在认识和投入等方面均存在不足。而教学机器人作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。如今教学机器人已经广泛应用于大专院校的课程与试验中，它可以再现工业机器人的工作原理和过程，让人们对机器人有直观的理解，在学生的学习中起到了很大的作用，所以深得学生和老师的青睐。目前，国内已有部分高校研制开发了较为成型的nts 机器人教学研究设备，例如哈尔滨工业大学、清华大学等。另外还有许多高校也正投入到相关产品的研发工作中，相信不久会有更多相应产品的问世 2-7。随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以来，经历了短短的 40 年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报告，仅 2003 年新投入使用的机器人接近 10 万个，使世界目前使用的机器人总数超过75 万。世界使用机器人最多的国家是日本，约 38.9 万；其次为德国 (9.1 万 )、美国 (9万 )、意大利 (3.9 万 )、韩国 (3.8 万 )、法国 (2.1 万 )、西班牙 (1.3 万 )和英国 (1.2 万 )，并且报告估计 2004 年，全世界使用的机器人总数将超过 100 万。我国的工业机器人发展的历史已经有 20 多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”“八五”科技攻关不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000 台工业机器人，其中仅有 1/5 是国产的，其余的则是从 40 多个国外厂商进口的机器人。总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会 8。 3、研究 /设计的目标在设计的过程中完成机械手的结构设计，根据所给定纱锭：内孔 110mm、外径180mm、高 120mm 转腰机构：转角范围 90，时间 4 秒的设计参数和工作环境的要求，设计结构简单、抓取灵活的机械手，使其与机器人总体相协调，成为有机整体，并能够应用于生产实践。 4、设计方案（研究 /设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）根据纱锭搬运生产线的要求，用气压缸来实现机械手臂在水平面上的旋转和支撑整个手臂。完成手臂在两生产线间的移动，完成三爪对纱锭的搬运。旋转机构：旋转机构是气压缸构来控制。三爪：用四杆机构来控制，两个四杆机构用气压机来控制，来分别实现对纱锭的搬运。方案一（如图 1）所示，是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手，其特点是，抓重可达几百公斤，运动比较平稳，结构紧凑、动作灵敏，定位精度较高，负载nts 能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便，容易把纱锭污染。 1-液压缸； 2-液压缸； 3-液压缸图 1 结构运动简图方案二（如图 2）所示，是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 1-气压缸； 2-气压缸； 3-气压缸图 2 结构运动简图方案三（如图 3）所示，是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手，抓住重负载是容产生滑动，还容易把纱锭污染，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。 nts 1-液压缸； 2-液压缸； 3-液压缸图 3 结构运动简图综上所述，由于搬运的是纱锭，纱锭怕污染，质量也比较轻，而液压容易漏油把纱锭污染，所以选择方案 2 气压传动的方式。 5、方案的可行性分析本次纱锭搬运机器人三爪机械手的设计采用了气压缸的设计。介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的操作简单，适用于高速、高温和粉尘大的环境中进行工作。利用气压缸来控制三爪机械手的运动以及旋转，三爪机械手下行，气压缸把三爪机械手合拢，到达搬运的纱锭时，气压缸再把三爪张开，再利用 2 号气压缸带动旋转台将其搬运的纱锭旋转 90 度， 1.3 号气压缸在运动，将其纱锭卸载， 2 号气缸再带动旋转台旋转回到初始位置，一次搬运完成，重复以上运动即可完成对纱锭搬运。 6、该设计的创新之处这种创新提高了生产率，降低了成本；使其发挥更大的技术、经济效益等。由于本课题研究的三抓机械手的额定负载较小，体积和重量均要求较小，且结构简单，纱锭怕污染，综合分析后，决定采用气压缸来实现对纱锭的搬运，而且可以采用简易的开关来控制。 7、设计产品的主要用途和应用领域机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：机械手加工行业中用于取nts 料、送料；实现产品在不同生产线之间的快速转移。浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现产品在不同生产线之间的转移 ,实现产品的搬运 ,完成不同的工序的生产线搬运机械手为研究对象。 8、时间进程第一周收集资料、熟悉设计内容第二周了解纱锭搬运机器人三爪机械手的作用和结构第三周通过去哈尔滨工业大学实习，进一步对执行元件和机械传动系统有所了解第四周写开题报告及相关的实习总结和实习日记，对资料进行整理第五周通过资料确定设计方案及原理第六周对设计的主要结构进行计算第七周对设计的主要结构进行计算第八周进行 CAD 草图设计第九周正式 CAD 绘图第九十周 CAD 绘图并进行相关修改第十一周进行零件图设计第十二周整理说明书及图纸第十三周对整体检查 ,对说明书及图纸进行反复修改第十四周准备最终说明书、图纸第十五周毕业答辩 9 参考文献 1张建民 .工业机械人 M.北京：北京理工大学出版社 ,1992. 2工业机械手编写组 .工业机械手 M.上海：上海科学技术出版社， 1978： 15-20， 25-32. 3熊有伦 .机器人技术基础 M.武汉：华中科技大学出版社， 2003： 32-39. 4张立勋，王立权等 .机械电子学 M. 哈尔滨哈：尔滨工程大学出版社， 1999： 1-10， 26-32. 5黄继昌 .传感器工作原理及应用实例 M.北京：人民邮电出版社， 1998： 21-27. 6宋建国 .高档 8 位单片机 ATmega128 原理与开发应用指南 J.机器人， 2004. 7陈大先 .机械设计手册单行本 M.北京：化学工业出版社， 2004： 20-28， 45-49， 72-90， 103-122. 8吴广玉 ,姜复兴 .机器人工程导论 M.哈尔滨 :哈尔滨工业大学出版社， 1988. 9罗志增，顾培敏 .电机驱动多关节机械手设计 J.机器人 , 2009（ 6） . 10垄正 .液压传动与控制 .上海：上海科学技术出版社， 1989. 11振彪 ,王正家 .工业机器人 M.华中科技大学出版社， 2000， 11. 12玉茹 ,李继婷 .机器人灵巧手 M.北京 :机械工业出版社， 2002， 4. 13张铁 .机器人学 J.2000. 14费仁元 .机器人设计与分析 J.1997. 15T.O.Ekinci， J.R.R.Mayer.International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2007. nts 16Elmar Schsfers,Jens Hamann， Mechatronic Modeling and Analysis of Machine Tools， 2008. 17CHIRKJIAN G， Kinematice of a metamorphic robotic system .Proc.IEEE/ICRA， 1995. nts 指导教师意见教师签字：年月日开题答辩小组意见：组长签字：成员签字：年月日毕业设计领导小组意见 : 组长签字：年月日 nts ntsntsntsntsntsntsntsnts二、设计的主要内容：说明书（一般加外文翻译）：总计 1.5 万字以上。 1、中英文摘要（四要素：目的、方法、结果、结论） 2、机器人总体设计方案的拟订 3、机械手的方案设计及其结构设计 4、机械手零件结构设计及强度校核 5、气缸的选择、配重设计计算 6、说明书目录翻译图纸（内容、幅面及数量）：合计零号 2.5 张左右。 1、纱锭搬运机器人设计总图： A1 1 张 2、纱锭搬运机器人三爪机械手设计结构图： A0 1 张 3、零件图（包括手工图）： A3 4 张 A2 1 张三、设计目标：根据所给定纱锭：内孔 110mm、外径 180mm、高 120mm 转腰机构：转角范围 90，时间 4 秒的设计参数和工作环境的要求，设计结构简单、抓取灵活的机械手，使其与机器人总体相协调，成为有机整体。 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 1 本科毕业设计说明书题目纱锭搬运机器人三爪机械手设计院（系）：机械工程学院班级：机设 10-4 班姓名：范祥明学号： 2010022521 指导教师：赵存友教师职称：副教授 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 2 摘要纱锭搬运三爪机械手应用于生产线上代替工人工作，它把工人从复杂、繁重、疲劳、的工作环境中解脱出来，是人类的好伙伴，是工业制造领域重要的生产和服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，也是一个企业现代化水平的重要标志，同时可以减少企业的成本，提高企业的效益。本课题要求根据装卸搬运的生产需要，完成通用机械手回转与升降功能部件的结构设计。有助于培养学生运用所学基础知识、基本理论进行一般机械产品结构设计的综合能力。由于本课题研究的三抓机械手的额定负载较小，体积和重量均要求较小，且结构简单，纱锭怕污染，综合分析后，决定采用气压缸来实现对纱锭的搬运，而且可以采用简易的开关来控制。关键字：纱锭；搬运；机械手 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 3 Abstract The spindle carrying three claw manipulator used in the production line to replace the workers, the workers from the heavy, complex, fatigue, work environment in relief, is a human partner, is the industry an important production and service equipment, automation equipment in the field of advanced manufacturing technology can not lack, but also it is an important mark an enterprise modernization level, also can reduce the enterprise cost, improve the efficiency of enterprises. This topic request according to production needs handling, structure design general mechanical hand rotary and lifting parts. To help students learn to use the basic knowledge, basic theory of comprehensive ability of general mechanical product structure design. Because the three grasping manipulator rated the study load is smaller, the volume and weight are small, and the structure is simple, the spindle is afraid of pollution, comprehensive analysis, decided to adopt air cylinder to achieve the spindles handling, but also to control the simple switch. Keywords: Spindle; Carry; Manipulator nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 4 目录摘要 . 2 Abstract. 3 第 1 章绪论 . 6 1.1 目的及意义 . 6 1.2 国内外研究现状与发展趋势 . 6 1.2.1 国内的研究现状 . 6 1.2.2 国外研究现状 . 7 1.2.3 发展趋势 . 8 1.3 本设计主要研究的内容 . 10 第 2 章纱锭搬运机械手的方案设计 . 11 2.1 机械手的方案设计 . 11 2.1.1 方案一（如图 1）所示 . 11 2.1.2 方案二（如图 2）所示 . 11 2.1.3 方案三（如图 3）所示 . 12 2.2 机械手的方案可行性分析 . 12 2.3 设计的创新之处 . 13 2.4 设计的产品应用 . 13 第 3 章机械手的结构设计 . 14 3.1 手抓设计计算 . 14 3.2 连接杆的设计计算 . 14 3.2.1 连接杆强度计算 . 16 3.2.2 连接杆的疲劳强度校核 . 17 3.2.3 连接杆的接触应力校核 . 19 3.3 手指座的设计校核 . 20 3.4 连接架的设计与校核 . 21 3.5 连杆设计与校核 . 23 第 4 章气缸的设计 . 27 4.1 气缸的介绍 . 27 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 5 4.2 气压缸工作原理 . 27 4.3 气缸的校核 . 30 4.5 缸筒和缸盖的连接 . 31 4.6 气缸推力验算 . 31 总结 . 32 致谢 . 33 参考文献 . 34 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 6 第 1 章绪论 1.1 目的及意义机器人技术是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高技术发展的重要方面。是近 40 年来发展起来的一门交叉性学科，它涉及电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械学、仿生学、人工智能等学科领域。工业机器人与其它设备组成的生产线极大地提高了企业的生产率、提高和稳定了产品质量、大大缩短了产品更新换代的周期，机器人的出现和发展已使传统工业生产的面貌发生了根本性变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化、跨入智能化的新时代。机器人不仅在工业上应用愈来愈广，而且正在社会服务、海洋开发、宇宙空间、地下矿藏、抢险救灾、军事等领域开拓新应用，以代替人在其无法适应的特殊环境下工作，这将极大地扩展人类生产和活动的范围，大大提高人类创造性劳动的能力。在某种程度上机器人水平的高低能反映一个国家的综合国力和科技水平的发展。该机械手应用于生产线上代替工人工作，它把工人从复杂、繁重、疲劳、的工作环境中解脱出来，是人类的好伙伴，是工业制造领域重要的生产和服务性设备，是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备，也是一个企业现代化水平的重要标志，同时可以减少企业的成本，提高企业的效益。本课题要求学生根据装卸搬运的生产需要，完成通用机械手回转与升降功能部件的结构设计。有助于培养学生运用所学基础知识、基本理论进行一般机械产品结构设计的综合能力。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.2.1 国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 7 生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。 1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。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列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器， DC PWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。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，有条件的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。 1.2.2 国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。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。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 8 得一定的成绩。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。 1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种 Unimation Vic.arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业。联邦德国机器制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业：联邦德国 Kuka 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。 1.2.3 发展趋势在教育领域，许多院校已在学生中开设了机器人学方面的有关课程，但与世界先进国家相比，我们在认识和投入等方面均存在不足。而教学机器人作为机器人技术、计算机技术和机电一体化技术教育的教学工具，对人才培养和高新技术的推广应用有着重要的意义。如今教学机器人已经广泛应用于大专院校的课程与试验中，它可以再现工业机器人的工作原理和过程，让人们对机器人有直观的理解，在学生的学习中起到了很大的作用，所以深得学生和老师的青睐。目前，国内已有部分高校研制开发了较为成型的机器人教学研究设备，例如哈尔滨工业大学、清华大学等。另外还有许多高校也正投入到相关产品的研发工作中，相信不久会有更多相应产品的问世 2-7。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 9 着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，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，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织 (ISO)在对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 1。随着科学和技术的不断发展，在过去的几个世纪里，人类在许多方面都取得了重大的进展。机器人技术作为人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60 年代初问世以来，经历了短短的 40 年，已取得长足的进步。工业机器人在经历了诞生、成长、成熟期后，已成为制造业中必不可少的核心装备，而且工业机器人不仅在工厂里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以惊人的速度向航空航天、军事、服务、娱乐等人类生活的各个领域渗透。据联合国经济委员会和国际机器人联合会去年关于世界机器人的报告，仅 2003 年新投入使用的机器人接近 10 万个，使世界目前使用的机器人总数超过 75 万。世界使用机器人最多的国家是日本，约 38.9万；其次为德国 (9.1 万 )、美国 (9 万 )、意大利 (3.9 万 )、韩国 (3.8 万 )、法国 (2.1万 )、西班牙 (1.3 万 )和英国 (1.2 万 )，并且报告估计 2004 年，全世界使用的机器人总数将超过 100 万。我国的工业机器人发展的历史已经有 20 多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”“八五”科技攻关不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000 台工业机器人，其中仅有 1/5 是国产的，其余的则是从 40 多个国外厂商进口的机器人。总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的广泛应用nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 10 和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会 8。 1.3 本设计主要研究的内容在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：机械手加工行业中用于取料、送料；实现产品在不同生产线之间的快速转移。浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现产品在不同生产线之间的转移 ,实现产品的搬运 ,完成不同的工序的生产线搬运机械手为研究对象。在设计的过程中完成机械手的结构设计，根据所给定纱锭：内孔 110mm、外径 180mm、高 120mm 转腰机构：转角范围 90，时间 4 秒的设计参数和工作环境的要求，设计结构简单、抓取灵活的机械手，使其与机器人总体相协调，成为有机整体，并能够应用于生产实践。 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 11 第 2 章纱锭搬运机械手的方案设计 2.1 机械手的方案设计根据纱锭搬运生产线的要求，用气压缸来实现机械手臂在水平面上的旋转和支撑整个手臂。完成手臂在两生产线间的移动，完成三爪对纱锭的搬运。旋转机构：旋转机构是气压缸构来控制。三爪：用四杆机构来控制，两个四杆机构用气压机来控制，来分别实现对纱锭的搬运。 2.1.1 方案一（如图 1）所示方案 1 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手，其特点是，抓重可达几百公斤，运动比较平稳，结构紧凑、动作灵敏，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便，容易把纱锭污染。 1-液压缸； 2-液压缸； 3-液压缸图 1 结构运动简图 2.1.2 方案二（如图 2）所示方案 2 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 12 1-气压缸； 2-气压缸； 3-气压缸图 2 结构运动简图 2.1.3 方案三（如图 3）所示是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手，抓住重负载是容产生滑动，还容易把纱锭污染，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。 1-液压缸； 2-液压缸； 3-液压缸图 3 结构运动简图综上所述，由于搬运的是纱锭，纱锭怕污染，质量也比较轻，而液压容易漏油把纱锭污染，所以选择方案 2气压传动的方式。 2.2 机械手的方案可行性分析本次纱锭搬运机器人三爪机械手的设计采用了气压缸的设计。介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的操作简单，适用于高速、高nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 13 温和粉尘大的环境中进行工作。利用气压缸来控制三爪机械手的运动以及旋转，三爪机械手下行，气压缸把三爪机械手合拢，到达搬运的纱锭时，气压缸再把三爪张开，再利用 2 号气压缸带动旋转台将其搬运的纱锭旋转 90 度， 1.3 号气压缸在运动，将其纱锭卸载， 2 号气缸再带动旋转台旋转回到初始位置，一次搬运完成，重复以上运动即可完成对纱锭搬运。 2.3 设计的创新之处这种创新提高了生产率，降低了成本；使其发挥更大的技术、经济效益等。由于本课题研究的三抓机械手的额定负载较小，体积和重量均要求较小，且结构简单，纱锭怕污染，综合分析后，决定采用气压缸来实现对纱锭的搬运，而且可以采用简易的开关来控制。 2.4 设计的产品应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：机械手加工行业中用于取料、送料；实现产品在不同生产线之间的快速转移。浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现产品在不同生产线之间的转移 ,实现产品的搬运 ,完成不同的工序的生产线搬运机械手为研究对象。 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 14 第 3 章机械手的结构设计 3.1 手抓设计计算手部要能抓起工件必须满足： GkkkN 321 式中， N -为所需夹持力； 1k -安全系数，通常取 1.22； 2k -为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按 gak 12 估算， a 为机械手在搬运工件过程的加速度 2/sm ， 2/8.9 sma ， g 为重力加速度； 3k-方位系数，查表选取 13 k； G -被抓持工件的重量 30kg ；带入数据，计算得： N=1200N； 3.2 连接杆的设计计算连接杆其驱动力可伸缩F可按下式计算： maf FFF /)( 伸缩式中： fF 各支承处的的摩擦阻力（ N），其大小可按下式估算： )(Nf FGF 式中： G 运动部件所受的重力（ N ）； NF 外载荷作用于导轨上的正压力（ N ），其大小可按下式计算：手腕手部工件 GGGF N 摩擦系数，取 0.1，详见机械设计手册表 23.4-1； aF 启动过程中的惯性力（ N ），其大小可按下式估算： nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 15 tvgGFa 总式中： g 重力加速度，取 9.8 2/sm ； v 速度变化量（ sm/ ）。如果从静止状态加速到工作速度 v 时，则这个过程的速度变化量就等于杆部的工作速度。 t 启动或制动时间（ s ），一般为 0.1 s5.0 。对轻载低速运动部件取小值，对重载高速部件取大值，行走机械一般取 tv0.5 1.5 sm/ 。经过计算得： )2941968.156980(1.0)( Nf FGF N7.162 tvgGFa 总 = N2.1161.0 07.08.9 8.1626 NFFF maf 6.2 9 395.0/)2.1 1 67.1 6 2(/)( 伸缩连接杆设计如图 3-1 所示：图 3-1：连接杆零件图 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 16 3.2.1 连接杆强度计算拉力600NWF 1 16136 1 7 9 2 9 N / m0 . 9Pq b 式中： 1q 连接杆的均布载荷； P 力； b 宽度。 2 22 1 6 1 3 6 2 6 0 0 8 4 5 7 N / m2 . 0 5 0WRFqL 式中： 2q 均布载荷； R 反力； 2L 长度 103 127 7 0 . 6 N / m2 2 0 . 9TTq b 式中： 3q 前后均布载荷 1 0 13 () 1 2 7 0 . 3 8 8 2 7 3 7 6 N / m2 2 0 . 9T T Rm b 式中： 3m 平面上附加的均布力矩按扭转条件计算截面的强度 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 17 MP a1159.1751.02.0 4 7 6 0 1 3 13 M P aW TTca 因此截面安全。按弯扭合成条件计算截面 M P a1333.387760.1.0 )5.2 3 8 0 0 66.0(7 8 4 0 2 21) 13 2222 M P aW TMca（因此截面安全。 3.2.2 连接杆的疲劳强度校核截面直径最小，且有应力集中；截面为连接处，由于直径发生实然变化，产生明显的应力集中；由于直径最大且无应力集中，故不必对其他地方处进行校核，而只需对、截面进行校核。截面右侧 MP a94.1751.02.0 4 7 6 0 1 32.04 7 6 0 1 3 33 dWTT 因为截面受扭矩作用，所以 M Pa97.8 ma 由于变化形成的理论应力集中系数由表查取。因 0.0165108 dr，1.05510538 dD ，经插值后可查得 5.2 轴的材料的敏性系数为 85.0q 有效应力集中系数为 28.2)15.2(85.01)1(1 qk 尺寸系数 75.0表面质量系数为 88.0 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 18 处未经表面强化处理，即 1q，则得综合系数值为 18.3188.0 175.0 28.211 kK取 05.0计算安全系数 5.197.397.805.097.818.31 1 51 SKS maca 可知其安全。截面左侧弯曲应力 M P a7.11542.01.0 1 8 6 2 6 01.01 8 6 2 6 0 33 dWMb所以 MPaa 7.11， 0m扭转应力 M P a9.14542.02.04 7 6 0 1 32.04 7 6 0 1 333 dWTTT 所以 M Pa45.7ma 由于轴径变化形成的理论应力集中系数因 0.08354245 dr，1.33542720 dD ，经插值后可查得 8.1 ， 53.1 轴的材料的敏性系数为 83.0q ， 85.0q 有效应力集中系数为 66.1)18.1(83.01)1(1 qk 45.1)153.1(85.01)1(1 qk 尺寸系数 55.0尺寸系数 75.0表面质量系数为 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 19 91.0 此处未经表面强化处理，即 1q，则得综合系数值为 12.3191.0 155.0 66.111 kK03.2191.0 175.0 45.111 kK取 1.0， 05.0计算系数值caS64.3005.07.1112.3 1331 maKS 64.745.705.045.703.2 1151 maKS 5.129.364.764.3 64.764.3 2222 SSS SSS ca故安全。 3.2.3 连接杆的接触应力校核最大压应力 Hbq 2m ax 637.0式中： 2q 均布载荷； Hb 接触区宽度的一半。 m005.0814.0388.010200 814.0388.0845700052.152.1 921 212 RRE RRqb H式中： E 模数； 1R 半径； 2R 半径。 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 20 所以 2m a x 84570 . 6 3 7 0 . 6 3 7 1 . 0 7 7 2 . 2 M P a0 . 0 0 5Hq M P ab m a x4 5 m a x 0 . 3 0 4 0 . 3 0 4 1 . 0 7 7 3 . 2 7 4 6 . 7 M P aM P a 故安全。 3.3 手指座的设计校核手指座的的结构如图 3-2 所示，直径为 200mm。图 3-2：手指座 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 21 在实际工作中手指座只受到拉压力的作用，因此只要校核手指座的拉压应力即可。从图 3-2 可以看出，手指座在连接处的面积最小，即属于危险截面。激振力即式作用在手指座上的最大力。 200 1 3 3 . 3 ( )1 . 5ss M P an 右端连接处最大应力 m a x 1 2 5 . 6 6 6 1 4 . 1 8 8 9 ( )0 . 0 0 2 5 0 . 0 0 6 2NN F M P aA 左端连接处的最大应力 m a x 1 2 5 . 6 6 6 1 1 . 2 5 6 7 ( )0 . 0 1 0 . 0 1NN F M P aA 通过对手指座的以上校核，可知所设计的手指座符合设计要求。 3.4 连接架的设计与校核连接架的设计数据如图 3-3 所示：图 3-3：连接架零件图 0)(435)( cbabaFaF BA nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 22 0)(435)( cbacbFcF AB 3 5 7 . 6 8 6 . 7 240ABF F N （ 2）校核许用应力用插入法查得： 0 0 .6 4b M P a 许用应力值 1 0 . 3 7 5b M P a 应力校正系数 100 . 3 7 5 0 . 5 90 . 6 4bb 当量弯矩 0 . 5 9 1 5 3 8 6 1 0 7 . 7 7 4T N m m 22( ) 5 3 . 5 9 8 7AM M T N m m ( ) .B 设计的直径 m in 1.6d mm 315 . 80 . 1 AAbMd m m （ 3）疲劳强度校核初步分析 I 、 II 两个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面 I 为例进行安全系数校核。材料选用不锈钢调质，650B M Pa ， MPaS 360 对称循环疲劳极限 M P aBb 28 6 65 044.044.01 M P aB1 9 5 6 5 030.030.01 脉动循环疲劳极限 M P abb 486 2867.17.1 10 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 23 M P a3 1 2 1 9 56.16.1 10 等效系数 18.04 8 64 8 62 8 622001 bbb25.03 1 23 1 21 9 522001 截面 I 上的应力弯矩 1 1 3 4 8 . 5 4 2 5 6 6 3 7 ( . )M N m m 弯曲应力幅 13566370 . 1 2 82 5 . 8aMWM P a 弯曲平均应力 0m 扭转切应力 315386 3 . 50 . 2 2 8TT M P aW 扭转应力幅和平均切应力 3 . 5 1 . 7 522am M P a 如果一个截面上有多种产生应力集中的结构，则分别求出其有效应力集中系数，从而取最大值，验算强度合格。 3.5 连杆设计与校核本次设计的连杆如图 3-4 所示： nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 24 图 3-4：连杆零件图连杆长度为 150mm 0)(435)( cbabaFaF BA 0)(435)( cbacbFcF AB BA FF ； 4 3 5 1 5 0 1 6 3 1 . 2 540ABF F N nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 25 许用应力用插入法查得： 0 1 0 2 .5b M P a 许用应力值 1 60b M Pa 应力校正系数 1060 0 . 5 81 0 2 . 5bb 当量弯矩 0 . 5 9 1 5 3 8 . 6 9 0 7 . 7T N m m 22( ) 5 7 3 . 8 7AM M T N m m ( ) .B 设计的法兰最小直径 min 15d mm法兰直径 31200 . 1 AAbMd m m minAdd；验算合格。最终设计的纱锭搬运机械手抓结构如图 3-5 所示： nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 26 、图 3-2：纱锭搬运机械手 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 27 第 4 章气缸的设计 4.1 气缸的介绍气压传动由于结构紧凑，制造简单，工作可靠，故在机械制造业、轻工业和食品工业的各个部门获得了广泛的应用。但由于对它的研究还不够充分，所以在很多地方，使它的应用受到了限制。在 20 实际 60 年代末，气动元件得到发展，控制方式有所创新，应用启动系统更为合理和安全。工业领域得到了广泛的应用。气压系统的工作介质是空气。 1气源装置获得压缩空气的设备，空气净化设备。如空压机，空气干燥机等。气源装置是向气动系统提供所需压缩空气的动力源。他包括空气压缩机和气源处理系统两大部分。 2执行元件将气体的压力能转换成机械能的装置，也是系统能量输出的装置。如气缸，气马达等 3控制元件用以控制压缩空气的压力，流量，流动方向以及系统执行元件工作程序的元件。如压力阀，流量阀，方向阀和逻辑元件等 4辅助元件起辅助作用，如过滤器，油雾器，消声器，散热器，冷却器，放大器及管件等。 4.2 气压缸工作原理单作用气缸：单作用气缸只有一腔可输入压缩空气，实现一个方向运动。其活塞杆只能借助外力将其推回；通常借助于弹簧力，膜片张力，重力等。主要尺寸的确定 1.气缸工作压力的确定本设计的气缸用于整个床体的升降功能：由液压传动与气压传动表 3-1 取气缸工作压力 p=1Mpa 表 3-1 气压负载常用的工作压负载 F/N 50000 工作压力 5 7 nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 28 p/MPa 假设每个气缸受力相同，则每个气缸收到的压力为： =2450FN（ 4-1）根据电控柜的高度，设计气缸的推杆长度为 350 mm，进行计算与设计。假设推杆为 45 号钢， F=2450N，临界力 E=196 GPa。根据压杆稳定型计算推杆直径：错误 !未找到引用源。 2cr 2El= 2 4 5 0350 （ 4-2）由公式错误 !未找到引用源。，（ 4-3）代入错误 !未找到引用源。计算公式，计算错误 !未找到引用源。 43cr 2Ed= 2 4 5 032l （ 4-4）由此得到： 35d mm取整后，得到： 50d 本方案因为存在流水线本身自重可以是气缸恢复初始状态，所以选用单作用气缸。（ 4-5）式中， F 活塞杆上的推力， N 错误 !未找到引用源。气缸工作时的总阻力， N P 气缸工作压力， Pa D 活塞直径， m nts纱锭搬运三爪机械手设计论文 29 气缸工作时的总阻力错误 !未找到引用源。与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以载荷率的形式计入公式，如要求气缸的静推力错误 !未找到引用源。和静拉力错误 !未找到引用源。，则在计入载荷后：（ 4-6）计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取 =0.3 至

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