连杆式装箱机械手的设计【1张图/12900字】【优秀机械毕业设计论文】
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连杆
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说明书一份，29页，12900字左右。
开题报告一份。
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外文翻译一份。
中期检查一份。
连杆装箱机械手的机械设计
摘要：
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。主要叙述了机械手的设计计算过程。本文比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术
关键字：机械手;气动;自由度；
Connecting rod loading manipulator design
Abstract:
Industrial robot is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Industrial robot manipulator is an important branch of industry. Mainly describes the design of the mechanical hand calculation. This more comprehensive discussion of the industrial robot hand and wrist, arm stretching up and rotating bodies and agencies and other major components of the structural design. . Modern automatic control of industrial robots is a new emerging field of technology, and has become a modern mechanism in the production system is an important part, this new technology has developed rapidly, and gradually become a new subject - Mechanical hand . Manipulator involves mechanics, mechanics, electric and hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology fields of science, is a cross-disciplinary technology.
Keywords: manipulator，pneumatic，freedom
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械手的基本概念 1
1.2 国内外的发展状况 1
1.3机械手特点、研究意义 2
1.3.1 机械手的特点 2
1.3.2机械手的研究意义 2
1.4机械手的组成 3
1.4.1机械手的组成 3
1.5设计任务介绍及意义 3
第二章 机械手总体结构的确定 4
2.1 机械手的运动自由度 4
2.2 工作空间的确定 4
2.3额定负载的确定 4
2.4机械手结构形式的确定 4
2.5运动速度 5
2.6 定位精度 6
2.7 机械手的技术参数列表 6
2.8机械传动系统设计 6
第三章 手部结构设计 8
3.1夹持式手部结构 8
3.1.1手指的形状和分类 8
3.1.2设计时考虑的几个问题 8
3.1.3手部夹紧气缸设计 9
第四章 手腕结构设计 14
4.1 手腕的自由度 14
4.2 手腕的驱动力矩的计算 14
4.2.2回转气缸的驱动力矩计算 16
4.2.3 手腕回转缸的尺寸 16
第五章 手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核 17
5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 17
5.2纵向气缸的设计 18
5.3导向装置 21
5.4 平衡装置 21
第六章 总结 22
第七章 致谢 23
参考文献 24
一、 选题目的和意义
装箱机械手控制系统的研究是近代自动控制领域中出现的一项新技术,并巳成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分,机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认同，当下我国许多行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用却已经越来越普及。我国在机械手方面的研究工作却刚刚起步，进行这个装箱机械手的结构设计，不仅可以巩固我们已学的专业知识，扩展我们的知识面和专业面，可以加强对自己的思维训练和能力培养，还可以填补空白，提高生产效率，很大的现实意义。
二、 主要研究内容
1. 了解机械手的基本结构，工作原理，应用场所。
机械手主要有手部、运动机构、和控制机构三大部分组成。手部是用来抓吃工件的部件，根据被抓吃工件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓物件的位置和姿势。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。能模仿人手和臂的一些动作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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能再有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻功和原子能等部门。
2. 了解及掌握，工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置）
手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单），夹持对象是10kg的小型家电整箱。根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸本课题选用内抓式手部；传力机构为连杆杠杆式
工作任务：机械手抓取对象，提高200 mm，顺时针转90°，前进600mm放下工件，回到原位置。
抓取对象外形：工件为立方体，工件体积为0.5m3
抓取对象重量：10kg
传力机构较多，常用的是；滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。
腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。
目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小。并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。
臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。
臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。
手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。
行走机构
有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段，本课题的机械手不具有行走功驱动机构
驱动机构是工业机械手的重要组成部分。按照动力源分为液压、气压、电动驱动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。
液压驱动 油压高，可获得较大的输出功率，直接驱动使用于重型、低速驱动。压力、流量以控制，反应灵敏，可无级调速，能实现速度、位置的精绝控制，传动平稳。但管路结构较复杂，成本高。
气压驱动 气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将增大，只适用中小型、低速驱动。气源方便，结构简单，成本低。但是，效率低。
电动驱动 交直流普通电动机适用于抓起重量较大而速度低的中重型驱动。输出力大，成本低。步进、伺服电动机，步进电动机输出力较小，伺服电动机的可大一些，适用于运动控制，要求严格的中小型驱动。但成本高。
3. 制定机械手的设计方案
（1）了解被加持对象的基本结构和机械手的工作行程。
定位、抓起、提升、旋转、伸长、下降、放松、升高、缩短、旋转、下降
（2）设计手抓，手腕，手臂等的基本结构
4. 方案实施
设计、计算、校核等等
5 绘制机械手的装配图
6. 撰写论文
- 内容简介：
-
西安文理学院本科毕业设计（论文）中期检查表 题 目 连杆式装箱机械手的设计 学生姓名 陈凡 学 号 08102080215 专业名称 机械设计制造及 其自动化 指导教师 姚慧 检查时间 2011 级 08 机电 2 班 毕 业 设 计（论文） 进 展 情 况 通过对 机械手的设计 的相关资料的学习， 以及 对整个设计的 了解，现基本完成以下设计工作： 1. 对机械手的基本结构，工作原理，应用场所 有一定 了解。 2. 对 工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置） 有所了解及掌握。 3. 被加持对 象的基本结构和机械手的工作行程 有一定的认识。 4. 完成手腕 、手抓基本结构的设计 、计算 。 下一步 设计工作内容 连杆式装箱机械手 手臂基本结构的设计计算和 手腕、手臂、手抓基本结构的校核以及机械手装配图的绘制。 指 导 教 师 意 见 2 能够与老师保持正常指导关系 . 综上所述 ,同意按照设计进度进行后续工作 . 签字 ： 年 月 日 教研室意见 签字 ： 年 月 日 to of of a to be on is an of is in is to of in as of of , to to s is to up to of In on s As of in of of as as on In of of a of be to to an So of of of as of of In of of of of an is A on of on of is to s is he of to of It is a a to of Be to to in to a As a it is a To a it is a of in to a be as - 1. 1( a ) in or to is a of At to a In to of to do to by of on on as to of is At in a be to be ( of a In is of is to of of to of be a of no as In To is by to a , is to to is of of be in by be in It of is of of is to be to of It is an of of to a of to as in , is to to as . is to of of of it be of is as of as C C of is by a of to if V, of 3of of i x 3. is on is of to in no In so a On of a of to it is to of If is is be is so of is In is is is of of be to of on as an of of of is is is In to of it is to of is be a on of of to a of or of In to to of be or We a ( to of of In to of do ) of to ). do of . 2) of of is is to of or 3) of by be of on to be of to of 4) to a of of of In of to a of of of so 5) of in to of to we do a In of be on of on it be or of to of In of or of it of to as to in a is to to to a to of or or to to of of of to it of is of be in to of At a of to be be to of of of if go to in to of of to of of to be in ( of in of of as as be ( in of in It be in of be of of At in to to of in it is to in at to If to to in in of or to it is to to of as a of to my of in to of to to to of t of is of is as or it a to to do In in of In to to of In to to or of In of be in it to in of 1, it is of is on to be is of be to 2, as ta机械设计 机械设计是 机械工程 的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能 的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件 (如材料、加工能力、理论知识和计算手段等 )下设计出最好的机械，即做出 优化设计 。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少 环境污染 。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合 技术经济效果 。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和 价值工程 、 系统分析 等新学科的发展， 制造和使用的技术经济数据资料的积累 ,以及 计算机 的推广应用 ,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。 服务于不同产业的不同机械，应用不同的工作原理，要求不同的功能和特性。各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。因此出现了 农业机械 设计、 矿山机械 设计、纺织机械设计、 汽车 设计、 船舶 设计、 泵 设计、 压缩机 设计、汽轮机 设计、 内燃机 设计、 机床 设计等专业性的机械设计分支学科。但是，这许多专业设计又有许多共性技术，例如机构分析和综合、力与能的分析和计算、 工程材料学 、材料强度学、传动、润滑、密封，以及标准化、可靠性、工艺性、优化等。此外，还有研究设计工作的内在规 律和设计的合理步骤和方法的新兴的设计方法学。将机械设计的共性技术与理性化的设计方法学汇集成为一门独立的、综合性的机械设计学科是机械工程实践和教育工作者正在努力的工作。 机械设计可分为新型设计、继承设计和变型设计 3 类。 1、新型设计 应用成熟的科学技术或经过实验证明是可行的新技术，设计过去没有过的新型机械。 2、继承设计 根据使用经验和技术发展对已有的机械进行设计更新，以提高其性能、降低其制造成本或减少其运用费用。 3、 变型设计 为适应新的需要对已有的机械作部分的修改或增删而发展出不同于标准型的变型产品。 机械设计主要过程 1 根据用户订货、市场需要和新科研成果制定设计任务。 2、初步设计。包括确定机械的工作原理和基本结构形式，进行运动设计、 结构设计 并绘制初步总图以及初步审查。 3、技术设计。包括修改设计（根据初审意见）、绘制全部零部件和新的 总图以及第二次审查。 4、工作图设计。包括最后的修改（根据二审意见）、绘制全部工作图（如 零件图 、部件装配图和总装配图等）、制定全部技术文件（如零件表、易损件清单、使用说明等）。 5、定型设计。用于成批或大量生产的机械。对于某些设计任务比较简单（如 简单机械 的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计等）的机械设计可省去初步设计程序。 所讨论的设计过程仅指狭义的技术性的设计过程。它是一个创造性的工作过程，同时也是一个尽可能多地利用已有的成功经验的工作。要很好地把继承与创新结合起来，才能设计出高质量的机器。作为一部完整的机器，它是一个复杂的系统。要提高设计质量，必须有一个科学的设计程序。虽然不可能列出一个在任何情况下都有效的惟一程序，但是，根据人们设计 。 （一）计划阶段 在根据生产或生活的需要提出所要设计的新机器后，计划阶段只是一个预备阶段。此 时，对所要设计的机器仅有一个模糊的概念。 在计划阶段中，应对所设计的机器的需求情况做充分的调查研究和分析。通过分析，进一步明确机器所应具有的功能，并为以后的决策提出由环境、经济、加工以及时限等各方面所确定的约束条件。在此基础上，明确地写出设计任务的全面要求及细节，最后形成设计任务书，作为本阶段的总结。设计任务书大体上应包括：机器的功能，经济性及环保性的估计，制造要求方面的大致估计，基本使用要求，以及完成设计任务的预计期限等。此时，对这些要求及条件一般也只能给出一个合理的范围，而不是准确的数字。例如可以用必 须达到的要求、最低要求、希望达到的要求等方式予以确定。 （二）方案设计阶段 本阶段对设计的成败起关键的作用。在这一阶段中也充分地表现出设计工作有多个解（方案）的特点。 机器的功能分析，就是要对设计任务书提出的机器功能中必须达到的要求、最低要求及希望达到的要求进行综合分析，即这些功能能否实现，多项功能间有无矛盾，相互间能否替代等。最后确定出功能参数，作为进一步设计的依据。在这一步骤中，要恰当处理需要与可能、理想与现实、发展目标与当前目标等之间可能产生的矛盾问题。 确定出功能参数后，即可提出可能的解决办 法，亦即提出可能采用的方案。寻求方案时，可按原动部分、传动部分及执行部分分别进行讨论。，较为常用的办法是先从执行部分开始讨论。 讨论机器的执行部分时，首先是关于工作原理的选择问题。例如，设计制造 螺钉 的机器时，其工作原理既可采用在圆柱形毛坯上用车刀车削螺纹的办法，也可采用在圆柱形毛坯上用滚丝模滚压螺纹的办法。这就提出了两种不同的工作原理。工作原理不同，当然所设计出的机器就会根 本不同。特别应当强调的是，必须不断地研究和发展新的工作原理。这是设计技术发展的重要途径。 根据不同的工作原理，可以拟定多种不同的执行机构的具体方案。例如仅以切削螺纹来说，既可以采用工件只作旋转运动而 刀具 作直线运动来切削螺纹（如在普通 车床 上切削 螺纹 ），也可以使工件不动而刀具作转动和移动来切削螺纹（如用 板牙 加工螺纹）。这就是说，即使对于同一种工作原理，也可能有几种不同的结构方案。 原动机部分的方案当然也可以有多种选择。由于电力供应的普遍性和电力拖动技术的发展，现在可以说绝大多数的固定机械都 优先选择电动机作为原动机部分。热力原动机主要用于运输机、工程机械或农业机械。即使是用电动机作为原动机，也还有交流和直流的选择，高转速和低转速的选择等。 传动部分的方案就更为复杂多样了。对于同一传动任务，可以由多种机构及不同机构的组合来完成。因此，如果用 ，表示原动机部分的可能方案数， 别代表传动部分和执行部分的可能方案数，则机器总体的可能方案数 为 2。 以上仅是就组成机器的三个主要部分讨论的。有时，还须考虑到配置辅助系统 ，对此，本书不再讨论。 在如此众多的方案中，技术上可行的仅有几个。对这几个可行的方案，要从技术方面和经济及环保等方面进行综合评价。评价的方法很多，现以经济性评价为例略做说明。根据经济性进行评价时，既要考虑到设计及制造时的经济性，也要费用考虑到使用时的经济性。如果机器的结构方案比较复杂，则其设计制造成本就要相对地增大，可是其功能将更为齐全，生产率也较高，故使用经济性也较好。反过来，结构较为简单、功能不够齐全的机器，设计及制造费用虽 少，但使用费用却会增多。评价结构方案的设计制造经济性时，还可以用单位功效的成本来表示。例如单位输出功率的成本、单件产品的成本等。 进行机器评价时，还必须对机器的可靠性进行分析，把可靠性作为一项评价的指标。从可靠性的观点来看，盲目地追求复杂的结构往往是不明智的。一般地讲，系统越复杂，则 系统的可靠性 就越低。为了提高复杂系统的可靠性，就必须增加并联备用系统，而这不可避免地会提高 机器的成本。 环境保护也是设计中必须认真考虑的重要方面。对环境造成不良影响的技术方案，必须详细地进行分析，并提出技术上成熟的解决办法。 通过方案评价，最后进行决策，确定一个据以进行下步技术设计的原理图或 机构运动简图 。 在方案设计阶段，要正确地处理好借鉴与创新的关系。同类机器成功的先例应当借鉴，原先薄弱的环节及不符合现有任务要求的部分应当加以改进或者根本改变。既要积极创 新，反对保守和照搬原有设计，也要反对一味求新而把合理的原有经验弃置不用这两种错误倾向。 （三）技术设计阶段 技术设计阶段的目标是产生总装配草图及部件装配草图。通过草图设计确定出各部件及其零件的外形及基本尺寸，包括各部件之间的连接，零、部件的外形及基本尺寸。最后绘制零件的工作图、部件 装配图 和总装图。 为了确定主要零件的基本尺寸，必须做以下工作： 1)机器的 运动学 设计。根据确定的结构方案，确定原动件的参数（ 功率 、转速、线速度等）。然后做运动学计算，从而确定各 运动构件 的运动参数（转速 、速度、加速度等）。 2)机器的动力学计算。结合各部分的结构及运动参数，计算各主要零件所受载荷的大小及特性。此时求出的载荷，由于零件尚未设计出来，因而只是作用于零件上的公称（或名义） 载荷 。 3)零件的工作能力设计。已知主要零件所受的公称载荷的大小和特性，即可做零、部件的初步设计。设计所依据的工作能力准则，须参照零、部件的一般失效情况、工作特性、环境条件等合理地拟定，一般有强 度、 刚度 、 振动稳定性、寿命等准则。通过计算或类比，即可决定零、部件的基本尺寸。 4)部件装配草图及总装配草图的设计。根据已定出的主要零、部件的基本尺寸，设计出部件装配草图及总装配草图。草图上需对所有零件的外形及尺寸进行结构化设计。在此步骤中，需要很好地协调各零件的结构及尺寸，全面地考虑所设计的零、部件的结构工艺性，使全部零件有最合理的构形。 5)主要零件的校核。有一些零件 ，在上述第 3）步中由于具体的结构未定，难于进行详细的工作能力计算，所以只能做初步计算及设计。在绘出部件装配草图及总装配草图以后，所有零件的结构及尺寸均为已知，相互邻接的零件之间的关系也为已知。只有在这时，才可以较为精确地定出作用在零件上的载荷，决定影响零件工作能力的各个细节因素。只有在此条件下，才有可能并且必须对一些重要的或者外形及受力情况复杂的零件进行精确的校核计算。根据校核的结果，反复地修改零件的结构及尺寸，直到满意为止。 在技术设计的各个步骤中，近三四十年来发展起来的优化设计技术，越来越显示出它可使结构参数的选择达到最佳的能力。一些新的 数值计算方法 ，如有限元法等，可使以前难以定量计算的问题获得极好的近似定量计算的结果。对于少数非常重要、结构复杂且价格昂贵的零件，在必要时还须用模型试验方法来进行设计，即按初步设计的图纸制造出模型，通过试验，找出结构上的薄弱部位或多余的截面尺寸，据此进行加强或减 小来修改原设计，最后达到完善的程度。机械可靠性理论用于技术设计阶段，可以按可靠性的观点对所设计的零、部件结构及其参数做出是否满足可靠性要求的评价，提出改进设计的建议，从而进一步提高机器的设计质量。上述这些新的设计方法和概念，应当在设计中加以应用与推广，使之得到相应的发展。 草图设计完成以后，即可根据草图业已确定的零件基本尺寸，设计零件的工作图。此时，仍有大量的零件结构细节要加以推敲和确定。设计工作图时，要充分考虑到零件的加工和装配工艺性、零件在加工过程中和加工完成后的检验要求和实施方法等。有些细节安排如果 对零件的工作能力有值得考虑的影响时，还须返回去重新校核工作能力。最后绘制出除 标准件 以外的全部零件的工作图。 按最后定型的零件工作图上的结构及尺寸，重新绘制部件装配图及总装配图。通过这一工作，可以检查出零件工作图中可能隐藏的尺寸和结构上的错误。人们把这一工作通俗地称为纸上装配。 （四）技术文件编制阶段 技术文件的种类较多，常用的有机器的设计计算说明书、使用说明书、标准件明细 表等。 编制设计计算说明书时，应包括方案选择及技术设计的全部结论性的内容。 编制供用户使用的机器使用说明书时，应向用户介绍机器的性能参数范围、使用操作方法、日常保养及简单的维修方法、备用件的目录等。 其他技术文件，如检验合格单、 外购件 明细表、验收条件等，视需要与否另行编制。 （五）计算机在机械设计中的应用 随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用 ，并出现了许多高 效率 的设计、分析 软件 。利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比，可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。同时，还可以在计算机上构建虚拟样机，利用虚拟样机仿真对设计进行验证，从而实现在设计阶段充分地 评估设计的可行性。可以说，计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程，它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。 以上简要地介绍了机器的设计程序。广义地讲，在机器的制造过程中，随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。如需修改时，则应遵循一定的审批程序。机器出厂后，应该有计划地进行跟踪调查；另外，用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。设计部门根据这些信息，经过分析，也有可能对原设计进行修改，甚至改型。这些工作，虽然广义上也属设计程序的组成部分，但是属于另一个层次的问 题，本书不再讨论其具体的内容。但是作为设计工作者，应当有强烈的社会责任感，要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去，反复不断地改进设计，才能使机器的质量继续不断地提高，更好地满足生产及生活的需要。 在设计开始之前，先要制定设计任务。当设计任务比较复杂时，一般采用三阶段设计，即初步设计、技术设计和工作图设计；当任务比较简单，如简单机械的新型设计、一般机械的继承设计或变型设计，则一开始就将设计做到技术设计深度，经审查、修改和批准后做工作图设计，而成为两阶段设计。在三阶段设计中的初步设计阶段， 设计的主要步骤是：确定工作原理和基本结构型式，运动设计，设计主要零、部件、绘制初步总图 ,初步设计审查。在技术设计阶段 ,主要步骤是：根据审查意见修改设计，设计全部零、部件，绘制新的总图，技术设计审查。在工作图设计阶段，根据审查意见修改设计，绘制全部工作图和制定全部技术文件。对于批量或大量生产的产品，还要进行定型设计。 在设计的每个步骤中，都可能发现前面步骤中某些决定不合理，这就需要折回到前面那个步骤，修改不合理的决定，重做随后的设计工作。 1、制定设计任务 这是设计的前期工作。设计任务的根据是用户订货、市 场需要和新的科研成果。设计部门应用各种技术和市场情报，拟列可能方案，比较其利弊，与经营部门和用户共同商议，制定合理的设计任务目标。这对新型设计特别重要。任务目标的失误将造成经济上的严重损失，甚至遭到全面失败。 2、确定工作原理和基本结构型式 如设计任务未作明确规定 ,设计的第一个步骤就是确定总体方案 ,即确定所要应用的工作原理和与之相应的结构型式。例如设计大功率船用柴油机，首先要确定是用二冲程、双作用、十字头、低速柴油机，还是用四冲程、单作用、中速柴油机。又例如设计用以粗碎岩石的 破碎机械 ，首先要确定是采用以挤压和弯折为主要破碎作用的颚式或 旋回式破碎机 ， 或者采用以冲击为主要作用的单转子或双转子冲击式破碎机 。 3、运动设 计 设计的总体方案确定之后，接着需要运用 机构学 的知识，选用合适的机构以得到所需的运动方案。上面提到的颚式破碎机依靠其动颚板的摆动使进入破碎腔的岩石受到挤压、弯折和劈裂作用而破碎，而动颚板的摆动则可以采用双肘板机构的简单摆动，或者采用单肘板机构的复杂摆动。在新型设计中，可能会需要综合一个新的机构以得到所要求的运动方案，这常是一个困难的工作。因此，设计者一般尽量应用已有的和成熟的机 构所提给的运动方案。 4、结构设计和绘制初步总图 运动设计之后，设计者开始进行结构设计，计算机械各主要零件的受力、强度、形状、尺寸和重量等，并绘制主要零、部件草图。这时如发现原来选用的结构不可行，就必须调整或修改结构。同时还应考虑有无可能产生过热、过度磨损或振动的部位。 在这一步骤中，设计者通过绘制草图会发现各部分的形状、尺寸、 比例 等方面的矛盾。为了加强或改进某一方面，可 能会削弱或恶化另一方面。这时必须权衡轻重，进行协调，以达到最佳综合效果。草图经反复修改认为初步满意后，便可绘制初步总图和估算造价。初步总图严格按比例绘制，选取足够的视图和切面图。 5、初步审查 初步总图绘制后，需要请对该类机械有经验的设计、制造和使用人员以及用户或委托设计单位的代表进行初步审查。审查结果如认为设计不适用 (如重量、体积太大 ,造价太高 ,对结构的可靠性有怀疑等 ),则须重新进行运动设计，甚至改用别的工作原理和基本结构型式。多数情况是对设计采取某些改善措施。 6、技术设计 根据初步审查意见 ,对设计 进行修改 ,并绘制所有的零件和部件图。对主要的零件和部件进行精确的应力分析，按分析结果修正零件的形状、尺寸等细节，并规定材质和热处理。确定零件加工精度以及部件和总装的装配条件。完成润滑设计、 电气 设计（驱动和控制）。重绘总图，某些重要的和批量生产的机械有时还要制作出模型。将完成的技术设计提交第二次审查。 7、绘制工作图 根据第二次审查的意见作最后的修改后，就可以绘制正式的零件图 、部件装配图和总装配图，编写零件表、易损零件清单、使用指南等技术文件。设计负责人应注意协调零件间的尺寸，核对耦合件间的 公差 配合，复核某些零件的强度和刚度。零件图完成后开始图纸核对，这是非常重要的工作。经过仔细校对的图纸能保证加工后装配顺利。最可靠的校对方法是根据已绘制好的零件图重绘出一张总装配图，所有矛盾之处就会表现出来。在绘制零件图的同时还需要进行两项工作：一是工艺性审核 ,使 零件便于加工并降低制造成本 ;二是标准审核，使零件结构要素、尺寸、公差配合、热处理技术条件以及标准和通用零件等符合标准的规定。 8、试生产和定型设计 对于单件或小批生产的机械 ,经过上述步骤完成的设计图纸可以投入正式生产。对于成批或大量生产的机械 ,在正式生产前要先试制样机 ,进行功能试验和鉴定，通过后，再按批量生产工艺进行批量试生产。在批量试生产中所出现的问题还可能需要对设计作相应的修改，方成为可供正式生产使用的定型设计。 机械零件 的设计具有众多的约束条件，设计准则就是设计所应该满足的约束条件。 1、技术性能准则 技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能，既指静态性能，也指动态性能。例如，产品所能传递的功率、效率、使用寿命、 强度 、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求。例如振动会产 生额外的动载荷和变应力，尤其是当其频率接近 机械系统 或零件的固有频率时，将发生共振现象，这时振幅将急剧增大，有可能导至零件甚至整个系统的迅速损坏。振动性稳定准则就是限制机械系统或零件的相关振动参数，如固有频率、振幅、噪声等在规定的允许范围之内。又如机器工作时的发热可能会导致热应力、热应变，甚至会造成热损坏。热特性准则就是限制各种相关的热参数 (如热应力、热应变、 温升 等 )在规定范围内。 2、标准化准则 与机械 产品设计 有关的主要标准大致有： 概念标准化：设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准； 实物形态标准化：零部件、原材料、设备及能源等的 结构 形式、尺寸、性能等，都应按统一的规定选用。 方法标准化：操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。 标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。现已发布的与机械零件设计有关的标准，从运用范围上来讲，可以分为 国家标准 、行业标准和 企业标准 三个等级。从使用强制性来说，可分为必须执行的和推荐使用的两种。 3、可靠性准则 可靠性：产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率。可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。 4、安全性准则 零件安全性：指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。 整机安全性：指机器保证在规定条件下不出故障，能正常实现总功能的 要求。 工作安全性：指对操作人员的保护，保证人身安全和身心健康等等。 环境安全性：指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。 设计方法学的目的是将设计思维上升为理性过程，从而使设计能循一定的逻辑进行，使更多的设计人员能作出好的设计。它大致包括以下一些内容： 1、将设计的阶段分得很细，使每一阶段成为有章可循和有理可据的思维活动。 2、将成功的或良好的设计储存起来 ,建立设计资料库 ,以供以后设计时参考或采用。 3、在设计工作中引进价值工程的概念和方法，对设计中的矛盾进行功能与成本的权衡 ,以获得良好的使用 效果。 4、在设计中采用 摩擦学 、 振动学、断裂力学、 有限元法 、 可靠性设计 、优化设计、系统工程、人类 工程学 等新兴学科的知识，提高设计的科学性，减少盲目性。 5、将设计工作范围扩大，向前延伸到市场预测，向后延伸到售后服务。运用 计算机辅助设计 以减少设计劳动量、提高 设计速度 和设计质量。 西安文理学院 机械电子工程系 本科 毕业设计 （论文） 题 目 连杆式装箱机械手的设计 专业班级 08 级机电（ 2）班 学 号 08102080215 学生姓名 陈凡 指导教师 姚慧 设计所 在单位 西安工业大学 2012 年 3 月 西安文理学院本科毕业设计（论文） 任务书 题 目 连杆式装箱机械手的设计 学生姓名 陈凡 学 号 08102080215 专业 班级 机械设计制造及其自动化 08 机电 (2)班 指导教师 姚慧 职 称 讲师 教 研 室 机械 设计系 毕业设计（论文） 任务与要求 任务与要求 机械手是近几十年来自动化生产过程中发展起来的一种新型，高科技自动生产设备。在生产过程中，机械手被广泛用于自动化生产线中，它是 一种类似人体上肢的部分动能，能按照要求传送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对工业生产的自动化，推动工业生产的进步发展有重要作用。在生产线上装卸工件一般有工人完成，劳动强度大，生产率低 。为了提高生产线的工作效率，降低成本，使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代自动化大生产的需要，利用机器人技术，对生产线上装卸机械手进行设计研究，以提高自动化作业程度。具体要求如下： 了解 工业机器人和机械手的发展及工业生产中的应用；完成机械手结构设计；建立该机械手模型；应用软件绘制所设计机械手的装配图；撰写论文； 毕 业设计（论文） 工作 进程 起止时间 工作内容 第 12 周 34 周 56 周 7 周 89 周 10 周 11 周 12 周 （借）阅资料，学习 连杆式装箱机械手 结构 基础理论和知识，了解所设 计的 机械手 的结构， 撰写开题报告。 对机械手各部分零件进行结构设计。 用 相关 绘图软件绘制 机械手 结构图以及重要 零件图。 撰写毕业论文。 论文定稿 整理资料准备答辩 。 答辩 。 开始日期 2012 完成日期 2012 教研室主任（签字） 系 主任（签字） 西安文理 学 院本科毕业设计（论文）开题报告 题 目 连杆式装箱机械手的设计 学生姓名 陈凡 学 号 08102080215 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 姚慧 开题 时间 2012 级 08 机械 2 班 一、 选题目的和意义 装箱机械手控制系统的研究是近代自动控制领域中出现的一项新技术 ,并巳成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分 ,机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认同，当下我国许多行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用却已经越来越普及。我国在机械手方面的研究工作却刚刚起步，进行这个装箱机械手的结构设计，不仅可以巩固我们已 学的专业知识，扩展我们的知识面和专业面，可以加强对自己的思维训练和能力培养，还可以填补空白，提高生产效率，很大的现实意义。 二、 主要研究内容 1. 了解机械手的基本结构，工作原理，应用 场所。 机械手主要有手部、运动机构、和控制机构三大部分组成。手部是用来抓吃工件的部件，根据被抓吃工件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式。运动机构，使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓物件的位置和姿势。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。能模仿人手和臂的一些动作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。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能再有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻功和原子能等部门。 2. 了解及掌握，工业机械手的基本结构（执行机构、驱动机构、控制装置） 手部 既直接与工件接触的部分， 一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单），夹持对象是 10 小型家电整箱 。根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主 要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸本课题选用内抓式手部；传力机构为连杆杠杆式 工作 任务：机械手抓取 对象 ，提高 200 时针转 90，前进 600下工件，回到原位置。 抓取对象 外形：工件为 立方体 ，工件体积为 抓取对象 重量： 10力机构较多，常用的是；滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运 动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小 。 并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到 空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段，本课题的机械手不具有行走功驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。 按照动力源分为液压、气压 、 电动 驱动 三 大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。 液压驱动 油压高，可获得较大的输出功率， 直接驱动 使用于重型、低速驱动。压力、流量以控制 ，反应灵敏，可无级调速，能实现速度、位置的精绝控制，传动平稳。但管路结构较复杂，成本高。 气压驱动 气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将增大，只适用中小型、低速驱动。气源方便，结构简单，成本低。但是，效率低。 电动驱动 交直流普通电动机适用于抓起重量较大而速度 低的中重型驱动。输出力大，成本低。步进、伺服电动机，步进电动机输出力较小，伺服电动机的可大一些，适用于运动控制，要求严格的中小型驱动。但成本高。 3. 制定机械手的设计方案 （ 1） 了解被加持对象的基本结构和机械手的工作行程。 定位、抓起、提升、旋转、伸长、下降、放松、升高、缩短、旋转、下降 （ 2）设计 手抓，手腕，手臂 等的基本结构 4. 方案实施 设计、计算、校核等等 5 绘制机械手的装配图 6. 撰写论文 指导教师意见及建议： 签字 ： 年 月 日 教研室审核意见： 签字 ： 年 月 日 注：此表前 三 项由学生填写后，交指导教师签署意见，经 教研室 审批后，才能开题。 连杆装箱机械手的设计 答辩人：陈凡 导师： 姚慧 西安文理学院 目录 第一章 绪论 第四章 总结 第三章 设计时注意的问题 第二章 机械手总体结构的确定 第一章 绪论 多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。 研制具有多自由度、行走机构且维护方便等特点的机械手 应用机械手 可以提高生产过程的自动化程度，提高劳动生产率，降低生产成本可以改善劳动条件 。 培养学生应用所学知识，并培养学习新知识的能力，对学生的计算、绘图都有提高 第二章 机械手总体结构的确定 确定额定负载 确定工作范围 运动速度 跟据对机器人基本参数的要求来选择机械结构类型的坐标形式及其自由度数是机器人系统中进行结构设计的基础 2 1 第三章 设计时注意的问题 具有足够的握力 、手指间应具有一定的开闭角、保证工件准确定位、具有足够的强度和刚度 、应考虑被抓取对象的要求 根据其用途和结构的不同可以分为机械式夹持器，吸附式末端执行器和专用工具 两指式、多指式和双手双指式 按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种 ， 因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。 手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关 手腕的结构紧凑、提高手腕的刚度、应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转会差 手臂设计应注意的问题 设计要求 根据手臂所受载荷，合理 选择手臂截面形状高强度 轻质材料，尽量减少手臂重量 ，以减小驱动装置的负载。 总结 本次毕业设计是在学完大学的基础知识和专业知识，进行了一系列的生产实习和以前各次课程设计的基础上进行的一次综合性的大总结。旨在培养我们综合运用所学的基础知识、专业知识去分析和解决生产实际问题的能力及培养正确的设计思想，并通过运用设计标准、规范、手册、图册、和查阅有关技术资料去进行理论计算、结构思考、绘制图样、写相关说明性材料，培养我们机械设计的基本技能和工程设计工作者的基本素质，为我们走上工作岗位打下坚实的基础 本次课到此结束，谢谢欣赏 西安文理学院机械电子工程系 本科毕业设计（论文） 题 目 连杆装箱机械手设计 专业班级 机电 08级二班 学 号 08102080223 学生姓名 陈 凡 指导教师 姚慧 设计所在单位 西安文理学院 2012年 5月 连杆装箱 机械手的机械设计 摘要： 工业机械手是近几 十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。主要叙述了机械手的设计计算过程。本文比较全面地讨论了工业机械手的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。并在最后做了一些液压控制方面的设计，绘制了液压系统图等。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科 机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门 跨学科综合技术 关键字 ： 机械手 ;气 动 ;自由度； is in as a is an of of of up of . of is a of a in is an a of is a 安文理学院毕业设计（论文） 第 1 页 目 录 第一章 绪论 . 1 械手的基本概念 . 1 内外的发展状况 . 1 械手特点、研究意义 . 2 械手的特点 . 2 械手的研究意义 . 2 械手的组成 . 3 械手的组成 . 3 计任务介绍及意义 . 3 第二章 机械手总体结构的确定 . 4 械手的运动自由度 . 4 作空间的确定 . 4 定负载的确定 . 4 械手结构形式的确定 . 4 动速度 . 5 位精度 . 6 械手的技术参数列表 . 6 械传动系统设计 . 6 第三章 手部结构设计 . 8 持 式手部结构 . 8 指的形状和分类 . 8 计时考虑的几个问题 . 8 部夹紧气缸设计 . 9 第四章 手腕结构设计 . 13 腕的自由度 . 13 腕的驱动力矩的计算 . 14 转气缸的驱动力矩计算 . 16 腕回转缸的尺寸 . 16 第五章 手臂伸缩，升降，尺寸设计与校核 . 16 臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 . 16 向气缸的设计 . 18 向装置 . 21 衡装置 . 21 第六章 总结 . 22 第七章 致谢 . 23 参考文 献 . 24西安文理学院毕业设计（论文） 第 1 页 第一章 绪论 机械手，属工业机器人的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机科学、自动控制以及人工智能等多种学科的最新研究成果，体现了光机电一体化技术的最新成就，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课题。 “机械手 ”（ ：多数指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手）。 一个完整的气压系统是由以下几部分组成的： (1)能源部分。包括泵装置和蓄能器，它们能够输出气体，把原动机的机械能转变为气体压力能，并储存起来。 (2)执行机构部分。是气缸、气动机等，它们用来带动运动部件，将气体压力能转变成使部件运动的机械能。 (3)控制部分。是各种液压阀，用于控制流体的压力、流量和流动方向，从而控制执行部件的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载保护等 。 (4)辅助部分。是系统中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、压力表、管路等。 液压 系统中机械手主要实现的辅助功能： (1)机械手的伸、缩、回转和工件的松开和拉紧动作等。 (2)工件的自动松开、夹紧。 (3)工作台的松开夹紧、交换工作台的自动交换动作。 (4)机械手的运动部件平衡。如机械手轴箱的重力平衡、机械手的平衡装置等。 (5)机械手运动部件的制动和离合器的控制、齿轮拨又换挡等。 (6)机械手的自动开关。 液压系统在机械手中所起的作用是通过电一气转换元件把控制信号进行功率放大，对气压动力机构进行方向、位置和速度的控制，进而控制机械 手的手臂按给定运动规律动作。气压动力机构多数情况下采用直线气压缸或摆动气压缸，用于实现手臂的伸缩、升降以及手腕的回转。 内外的发展状况 专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。通用机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于通用机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。通用机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国内外对发展这一技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作。 西安文理学院毕业设计（论文） 第 2 页 目前国内外的发展趋势是： (1)研制有更多自由度的液压机械手，这样机械手就可以变得更加的灵活，从而完成更加多的动作。 (2)研制带有行走机构的机械手，这种机械 手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 (3)研制维修维护方便的通用机械手。 (4)研制能自动编制和自动改变程序的通用机械手。 (5)研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。 (6)机 械手的外观达到美观的要求，尽量用最简单的结构和设备能完成更加多的动作。 (7)研制具有柔性系统的通用机械手 目前，在国外广泛应用的再现式通用机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式通用机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度。现在国内具有越来越强的自主 研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位。 究意义 械手的特点 (1)通用性 机器人的通用性指具有执行不同功能和完成多样简单任务的实际能力；通用性也意味着，机器人是可变的几何结构。或者说在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 (2)适应性 机器人的适应性是指具有对环境的自适应能力，及机器人能够自主执行实现经规划的中间任务，而不管执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。 械手的研究意义 随着现代科学技术的发展，机械手的应用也越来越广泛。在机械工业中，大量应用于铸、锻、焊、冲、热处理、机械加工以及装配等工种。在其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工种中也均有应用。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： (1)可以提高生产过程的自动化程度。 (2)应用机械手有利于在自动生产线中实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换、西安文理学院毕业设计（论文） 第 3 页 以及机器的装配等的自动化程度，从而提高劳动生产率，降低生产成本。 (3)可以改善劳动条件，避免人身事故。 应用机械手在高温、高压、低温、低压、噪 声、臭味、有放射性物质的环境场合可部分或者全部代替人完成作业，使劳动条件得以改善。 (4)可以减少人力，并便于有节奏的生产。应用机械手代替人手进行作业，这是直接减少人力的一个重要方面。 (5)运用机械手可以实现连续的生产，而大大提高在生产线的工作的时间，从而能大幅提高劳动的生产率。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。 械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 1示。 图 1械手的组成示意图 通过课程设计培养学生综合运用所学知识的能力，提高分析和解决问题能的一个重要环节，专业课程设计是建立在专业基础课和专业方向课的基础的，是学生根据所学课程进行的工程基本训练，课程设计的意义在于： (1)培养学生综合运用所学的基础理论和专业知识，独立进行机电控制系统（产品）的初步设计工作，并结合设计或试验研究课题进一步巩固和扩大知 识领域。 (2)培养学生搜集、阅读和综合分析参考资料，运用各种标准和工具书籍以及编写技 术文件的能力，提高计算、绘图等基本技能。 (3)培养学生掌握机电产品设计的一般程序方法，进行工程师基本素质的训练。 (4)树立正确的设计思想及严肃认真的工作作风。 控制系统 驱动系统 执行机构 位置检测装置 西安文理学院毕业设计（论文） 第 4 页 第二章 机械手总体结构的确定 械手的运动自由度 物体上任何一点都与坐标轴的正交集合有关。物体能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度（ of 自由度是指描述物体运动所需的独立坐标数，三维空间需要 6 个自由度。物体所能进行的运动有沿着坐标轴的三个平移自由度和绕坐标轴的三个旋转自由度。 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末端的空间位置的，再用几个自由度来定出末端执行器的方位； 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。 本设计的通用机械手的结构相对比较简单，自由度选择为四个。分别为大臂回转、大臂升降、小臂回转和小臂伸缩。分别由大臂回转油缸、大臂升降油缸、小臂回转油缸和小臂伸缩油缸控制。 作空间的确定 工作空间是指机械手正常工作时，手腕参考点在空间活动的最大范围，依据机械手工作范围和运动轨迹确定。工作空间大小不仅与机器人各杆件尺寸有关，而且也与它的总体构形有关。在工作空间内要考虑杆件自身的干涉，防止与作业环境发生碰撞。此外在工作空间内 某些位置，机械手不可能达到预定的速度，甚至不能在某些方向上运动，即所谓工作空间的奇异性。 本机械手的工作空间要求为：手臂伸缩行程范围 0500臂升降行程范围最大 0 300臂回转行程范围 0240。 承载能力说明机械手搬运重物的能力，负载大小主要考虑机械手各运动轴上的受力和力矩，末端执行器的重量，抓取工件的重量，以及由运动速度变化而产生的惯性力和惯性力矩。 本设计要求能夹持重量为 100N 的物体，考虑末端执行器的重量及各运动轴上的受力和力矩，以及考虑足够的安全系数，初 步确定设计负载为 1500N。 本毕业设计是通用机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有以下几种 : 西安文理学院毕业设计（论文） 第 5 页 表 2械手结构选型表 【 7】 结构形式方案 特点 优缺点 结构简图 1 直角坐标型 作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置 结构刚度较好，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 2 圆柱坐标型 操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置 结构刚度较好，运动所需功率较小， 控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高 3 球坐标型 操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置 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，机械结构较为复杂 4 关节型 操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节 运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差 机器人手臂的运动速度是其主要运动参数之一。它反映了机器人手臂的作业水平，运动速度的快慢与它的驱动方式、定位方式、抓去质量大小和行程距离有关 ，作业机器人手臂的运动速度应根据生产节拍、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定。 目前，工业机器人的最大直线运行速度大部分为 1000mm/s 左右；最大回转速度110/s 左右。在本次设计中选定手臂伸缩速度 500 s，手臂升降速度 300mm/s，手臂回转速度 90 s，手腕回转速度 180/s，驱动方式为电 西安文理学院毕业设计（论文） 第 6 页 作为机器人规格参数的运动速度是指全程的平均速度，实际使用速度可以在一定的范围内调节。 位精度 定位精度是衡量机器人工作质量的又一项重要指标，一般所说的定位精度是指重复精度 ，与抓取质量、运动速度、定 前，专用机械手采用固定挡块定定位精度取决于位置控制方式及机器人本体部件的结构刚度与精度位方式可达到较高的定位精度（大约为 采用行程开关、电位计等电器元件控制的位置精度相对较低，大约为 1 服控制系统的机器人是一种位置跟踪系统，即使在高速重载的情况下，也可不发生剧烈的冲击和振动，因此可获得较高的定位精度，重复定位精度最高可达到 械手的技术参数列表 1、抓重： 10 公斤 2、自由度数： 4 个自由度 3、座标型式：圆柱座标 4、最大工作半径： 1500、手臂最大中心高： 1380、手臂运动参数：缩行程 600缩速度 500mm/s，升降行程 200 升降速度 300mm/s，回转范围 00 速度 900/s 7、手腕运动参数：回转范围 00速度 1800/s 8、手指夹持范围：片料 :面积不大于 0. 5 9、定位精度：士 0. 50、缓冲方式：液压缓冲器 11、传动方式：气压传 动 对气缸结构的要求一是重量尽量轻，以达到动作灵活、运 动速度高、节约材料和动力，同时减少运动的冲击，二是要有足够的刚度以保证运动精度和定位精度 图 2缸设计流程图 西安文理学院毕业设计（论文） 第 7 页 单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸。由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧承受气压作用 的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，两侧受气压作用的面积相等， 活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。 单作用气缸是由一侧气口供给气压驱动活塞运动，依靠弹簧力、外力或自重等 作用返回；而双作用气缸是由两侧供气口交替供给气压使活塞作往复运动。 西安文理学院毕业设计（论文） 第 8 页 第三章 手部结构设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构或电磁式吸盘结构。手爪是机械手直接用下抓取和握紧 (或吸附 )工件夹持专用工具 (如喷枪。扳子、焊接工具 )进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手手臂的前端，所示为齿轮齿条式手部结构。其手指夹紧工件是由夹紧气缸中的齿条活塞杆在压缩空气作用下右移，经齿条推动齿轮并带动扇形齿轮 回转，因手指与扇形齿轮固结为一体，所以两个手指同时回转而夹紧工件。由于采用单向作用油缸，故靠弹簧复位，使手指张开。手部结构中的齿轮齿条属于传力机构 。 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。其传力形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或 称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指 ;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 计时考虑的几个问题 (1)具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件 不致产生松动或脱落。 (2)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (3)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选西安文理学院毕业设计（论文） 第 9 页 择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带 “V”形面的手指，以便自动定心。 (4)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产 生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (5)应考虑被抓取对象的要求 1抓取形状 手指形状应根据工件形状而设计。如工件为圆柱形则采用 “V”形手指；圆球状工件用圆弧形三指手指，方料用平面形手指，细丝工件用尖指勾形或细齿钳爪手指。总之应根据工件形状来选定手指形状。 2抓取部位 抓取部位的尺寸尽可能是不变 的若加工后尺寸有变化，手指应能适应尺寸变化的要求，否则不允许定为抓取部位。对于工件表面质量要求高的，抓取时尽量避开高质量表面或在手指上加软质垫片 (如橡皮抱沫塑料石棉衬垫等 )，以防夹持时损坏工件。 3抓取数量 若用一对手指抓取多个工件，为了不发生个别工件的松动或脱落现象，在手指上可增加弹性衬垫，如橡皮、泡沫、塑料等 ，对于较长工件可采用双指或多指抓取。 (6)应考虑手指的多用性 手指是专用性较强的部件，为适应小批量多品种工件的不同形状和尺寸的要求，可制成组合式的手指，对于这种手指要求结构简单，安装维修方便，更换迅速和准确，以便扩大机械手的使用范围。 部夹紧气缸设计 (1)手部驱动力计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷 (惯性力或惯性力矩 )，以使工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下式计算： (公式 式中 安全系数，通常取 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可用下式估算 (公式 其中 a运载工件时重力方向的最大升加速度 西安文理学院毕业设计（论文） 第 10 页 g重力加速度 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。 (公式 f摩擦系数 G选取工件所受的重力（ N） 将已知条件代入得： 图 械手夹持器 （ 1） 气缸的内径 根据手指的几何关系得： 由设计任务可以知道，要驱动的负载大小位 100虑到气缸未加载时实际所能输出的力，受气缸活塞和缸筒之间的摩擦、活塞杆与前气缸之间的摩擦力的影响。在研究气缸性能和确定气缸缸径时，常用到负载率 ： 由液压与气 压传动技术表 11取 =动状态与负 西安文理学院毕业设计（论文） 第 11 页 表 3缸的载率 阻性负载（静负载） 惯性负载的运动速度 100s 100 500s 500s =据气缸的结构得： D活塞直径， m m N (公式 估算时取 d=40N, P=代入上式得： 按照 2348准进行圆整，取 D=36 3缸内径尺寸系列（摘自 2348(280) 10 50 (140) 320 12 63 160 (360) 16 80 (180) 400 20 (90) 200 (450) 25 100 (220) 500 32 (110) 250 注：括号内的公称压力值为非优先采用值 （ 2） 活塞杆直径 由 d=取 活塞杆直径 d=25 安文理学院毕业设计（论文） 第 12 页 表 3缸筒壁厚 材料 气缸缸筒内径 50 80 100 125 160 200 250 壁厚 铸铁 7 8 10 10 12 14 16 无缝钢管 5 6 7 7 8 8 10 铝合金 8 12 12 14 14 17 表 3缸活塞杆外径尺寸系列（摘自 2348(4) 缸筒长度的确定： 缸筒长度 S=L+B+20 L 为活塞行程； B 为活塞厚度 活塞厚度 B=(= 0=16于气缸的行程 L=200所以 S=L+B+20=236 5） 气缸筒的壁厚的确定 : 由液压气动技术速查手册知：一般气缸缸筒与内径之比 ，其壁厚通常按薄壁筒公式计算 虑机 械加工工艺性，往往将缸筒壁厚适当加厚，且尽量选用标准内径和壁厚的钢管与铝合金管。下图所列缸筒壁厚可供参考。 假设所选材料为无缝钢管，则由表知 (6)气缸的进、排气口计算 通常气缸的进、排气口的直径大小与气缸速度有关，根据 缸的进、排气口的直径见下表（ 准规定） 西安文理学院毕业设计（论文） 第 13 页 气缸直径 32 40 50 63 80 气口尺寸 汽缸直径 100 125 150 200 250 气口尺寸 汽缸直径 320 气口尺寸 查此表可知，气缸的进、排气口的规格为 第四章 手腕结构设计 腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。如图 41所示的手腕运动有绕 或俯仰 )，绕 或沿 。因此手腕最多具有四个独立运动即四个西安文理学院毕业设计（论文） 第 14 页 自由度。 手腕自由度的选用与机械 手的通用性，加工工艺要求，工件放置方位和定位精度等许多因素有关，一般手腕没有回转运动或再增一个上下摆动即可满足工作的要求，也有的专用机械手没有手腕的运动，若有特殊要求的可增加手腕左右摆动或沿 手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性， 因此给手腕设一绕 用最多的为回转油 (气 )缸，我们选用的是回转油缸。它的结构紧凑，回转角度为 0180，手腕回转速度 180/s，并且要求严格的密封。 腕的驱动力矩的计算 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 . 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : 封摩偏惯驱 （公式 式中 : 驱驱动手腕转动的驱动力矩 ( ); 惯惯性力矩 ( ); 偏参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸的动片 )对转 动轴线所产生的偏重力矩 ( )., 封手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩 ( ); 下面以图 4析各阻力矩的计算 : (1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩惯腕转动时的角速度为 ，起动过程所用的时间为 t ，则 : ) 21 ）（惯（公式 式中 :J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ).( 21J - 工件对手腕转动轴线的转动惯量 ).( 2 西安文理学院毕业设计（论文） 第 15 页 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J 为 : 1 21e （公式 式中 : 件对过重心轴线的转动惯量 ).( 2 1G - 工件的重量 (N)； 1e - 工件的重心到转动轴线的偏心距 ( - 手腕转动时的角 速度 (弧度 /s)； t - 起动过程所需的时间 (s)； 起动过程所转过的角度 (弧度 )。 (2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩 偏M 113) (公式 式中 : 3腕转动件的重量 (N)； 3腕转动件的重心到转动轴线的偏心距 (当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 11 。 (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩封M封M )(2
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