一种简易搬运机械手的设计

1、一种简易搬运机械手的设计兰州工业学院毕业设计（论文）任务书机电工程 学院机电一体化技术专业设计题目 搬运机械手设计及PLC操纵学生姓名班 级起止日期指导教师 李宝栋1 .毕业设计的原始数据：1论文所用有关资料从校图书馆书籍或网上下载获得;2数据资料由教师按照生产实践提供。2 .毕业设计（论文）的内容和要求（包括技术要求、图表要求以及工作要求 等）： 设计一搬运机械手，满足下列技术要求，绘制各要紧零件图和装配图， 并采纳S7-200 PLC进行操纵。1末端载荷：5KG2自由度数：43坐标形式：圆柱坐标4最大工作半径：1500mm5手臂最大中心高：800mm6一不柝府结位应一756mm -/s吊杆

2、开厢S应一 250mm/s：H行5丁位应彳彳00 /s,手腕回转速度360o/s7 7 下臂福缩彳加范而0500mm,手臂亓除彳而范历最大 0100mm, 下臂 回转行程范畴0o220o8定位方式：行程开关或可调机械挡块等9定位精度：1mm10驱动方式：液压驱动11操纵方式：点位程序操纵（采纳 PLC3 .毕业设计应完成的技术文件：1撰写设计讲明书；2装配图、各要紧零件图（一套）；3 PLC接线图以及其它有关设备的电气图。4 .要紧参考文献：1李允文.工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1996.42濮良贵，纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，20013陆祥生，杨绣莲.机械手.北京：中国

3、铁道出版社,1985.14张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,19925.毕业设计（论文）进度打算（以周为单位）：起止日期工作内容备注第1周查阅有关资料，确定设计总方（12月9日12月15日）案，完成有关设计运算第24周（12月16日12月29日）绘制装配图、各要紧零件图第5周（12月30日1月5日）PLC操纵部分设计及调试第67周（1月6日1月19日）撰写设计讲明书教研室审查意见：学院审查意见：教研室主任学院院长年月年 月日日摘要在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已差不多得到解决。专用机床是大批量生产自动化的有效的方法；操纵机床、数

4、控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要方法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化,工业机械手确实是为实现这些工序的自动化而生产的。机械手是能够仿照人体上肢的部分功能，能够对其进行自动操纵使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。自上世纪六十年代，PLC 设计的机械手被实现为一种产品后，对它的开发应用也在持续进展，它能够在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提升生产效率、稳固产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用。关键字：机械手PLC 现代工业ABSTRACT

5、Abstract: In modern industry, the production process of mechanizatio n, automation has become a prominent theme. Continuity of the chemical production process of automation has been basically resolved. Dedicated high-volume production automated machine tools is an effective way; cont rolled machine

6、tools. However, in addition to cutting its own, there are a lot of loading and unloading, transportation, assembly, and other operatio ns to be further mechanized. According to the data, PLC robot was desig ned to achieve a product, it has been the development and application de velopment, the most

7、typical of this development are the producers of heal th products used in industry, in order to achieve the much-needed health i nspection in a short period of time, a large number of sample data, but i n the field of health as a result of the use of robot goods in a single sa mple-color reagent met

8、hod, using filters and structural design, resulting in expensive reagents, restrictions The product market. With the advances in technology, the robot has actually broken the design of a single reagent, and heating the filter constraints.Keyword: robot PLC modern industrial名目摘要 4ABSTRACT 4名目 61 绪论91

9、.1 前言91.2 工业机械手在生产中的应用111.2.1 建筑旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线121.2.2 在实现单机自动化方面121.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面131.3 机械手的组成131.1.1 执行机构131.1.2 驱动机构151.1.3 操纵系统及其分类151.5 工业机械手的分类151.6 工业机械手的进展趋势161.7 工业机械手的自由度和座标型式181.8 工业机械手的展望201.9 本文要紧研究内容221.10 本章小结222 机械手的总体设计方案222.1 机械手差不多形式的选择222.2 机械手的要紧部件及运动232.3 驱动机构的选择232.4 机械手

10、的技术参数列表242.5 本章小结253 机械手手部的设计运算253.1 手部设计差不多要求253.2 典型的手部结构253.3 机械手手抓的设计运算263.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置263.3.3 夹紧力及驱动力的运算273.3.4 手抓夹持范畴运算283.4 机械手手抓夹持精度的分析运算293.5 弹簧的设计运算293.6 本章小结314 腕部的设计运算314.3 腕部设计的差不多要求314.4 腕部的结构以及选择314.2.1 典型的腕部结构314.3 腕部的设计运算324.2.2 腕部结构和驱动机构的选择324.3.1 腕部设计考虑的参数324.3.3 腕部驱动力的运算334.3

11、.4 液压缸盖螺钉的运算334.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉344.4 本章小结355 臂部的设计及有关运算355.1 臂部设计的差不多要求355.2 手臂的典型机构以及结构的选择365.2.1 手臂的典型运动机构365.2.2 手臂运动机构的选择375.3 手臂直线运动的驱动力运算375.3.1 手臂摩擦力的分析与运算375.3.2 手臂惯性力的运算385.3.3 密封装置的摩擦阻力385.4 液压缸工作压力和结构的确定395.5 本章小结406 机身的设计运算406.1 机身的整体设计406.2 机身回转机构的设计运算416.3 机身升降机构的运算436.3.1 手臂偏重力矩的运算43

12、6.3.2 升降不自锁条件分析运算446.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的运算456.4 轴承的选择分析456.5 本章小结45（467 PLC 及其应用467.1 PLC 的概念467.2 PLC 的组成467.3 PLC 工作原理及其特点48（四） PLC 的应用 497.4 PLC 操纵方案分析497.4.1 对 PLC 的选取 497.4.2 系统的整体设计分析517.5 设计内容517.5.1 机械结构和操纵要求517.5.2 系统硬件设计527.5.3 系统软件设计53（三）系统软件设计53（三）系统软件设计547.6 系统调试547.7 设计总结错误 !未定义书签。结 论

13、56致 谢 57参考文献581 绪论1.1 前言 用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是仿照着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业机械手是近代自动操纵领域中显现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术进展专门快，逐步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、自动操纵技术、传感器技术和运算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年进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。他的特点是能够通

14、过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，专门体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的进展空间。机械手的进展是由于它的主动作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时刻和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，明显的提升了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到专门多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。专门是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在

15、我国近几年也有较快的进展，同时取得一定的成效，受到机械工业的重视。机械手是一种能自动操纵并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，能够搬运物体以完成在不同环境中的工作。以它在持续变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。现代工业机械手起源于20 世纪 50 年代初，是基于示教再现和主从操纵方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手第一是从美国开始研制的。1958 年美国联合操纵公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，操纵系统是示教型的。1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型

16、机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；操纵系统用磁鼓最储备装置。许多球坐标式通用机械手确实是在那个基础上进展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton） ,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱能够回转，臂能够回转、升降、伸缩、采纳液压驱动，操纵系统也是示教再现型。尽管这两种机械手显现在六十年代初，但差不多上国外工业机械手进展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-ar

17、m 型工业机械手，装有小型电子运算机进行操纵，用于装配作业，定位误差可小于±1 毫米。美国还十分注意提升机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了 8年机械手试验台，进行各种性能的试验。预备把故障前平 均时刻（注：故障前平均时刻是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时刻），由 400 小时提升到1500小时，精度可提升到± 0.1 毫米。德国机器制造业是从1970 年开始应用机械手，要紧用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采纳关节式结构和程序操纵。瑞士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手

18、，采纳示教方法编制程序。瑞典安莎公司采纳机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手进展最快、应用最多的国家。自1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50 多个。 1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。 1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222亿日元，是1978 年的二倍。具有经历功能的机械手产值约为67 亿日元， 比 1978年增长50%。智能机械手约为17 亿日元，为1978 年的 6 倍。截止1979年，机械手累计产量达

19、56900台。在数量上已占世界首位，约占70%,并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。估量到 1990 年将有 55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子运算机操纵系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感受到的信息反馈，使机械手具有感受机能。目前国外差不多显现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子运算机和电视设备保持联系。并逐步进展成为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing system和柔性制造单元（Flexible Manufactur

20、ing Cell）中重 要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展专门多。1.2 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动操纵领域中经常遇到的一种操纵对象。机械手能够完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用专门广泛广泛在现代工业中，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，以提升生产效率，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、装配等生产专门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

21、分之三在50 件以下，零件真正在机床上加工的时刻仅占零件生产时刻的5%。从那个地点能够看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手确实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：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体讲明机械手在工业方面的应用。1.2.1 建筑旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线一样都采纳机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线专门多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和 5号电动机加

22、工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一样采纳随行夹具传送工件，也有采纳机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.2.2 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用专门多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38 滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的体会，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上

23、机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t冲床的下料机械手等；其一是用于 多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。1.2.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成

24、一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的体会。1.3 机械手的组成 工业机械手是一种仿照人手动作，并按设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或操持工具或进行操作的自动化装置。目前国内工业机械手的种类和型式比较多，然而从结构型式分析，要紧由执行机构、驱动系统和操纵系统等组成。1.4.1 执行机构 要紧由手部、手腕、受臂和行走机构等运动部件组成。（ 1）手部 它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不 同，手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直截了当与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型

25、。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型手指应用较少，其缘故是结构比较复杂，然而平移型手指夹持圆形零件时，工件 直径变化不阻碍其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范畴大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构形式教多，常用的有：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、弹簧式和重力式等。吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。 关于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压和真空泵压。

26、关于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力有直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压磁盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、和吸附力的大小，按照被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外， 按照专门需要，手部还有勺式（如浇注机械手的浇包部分）托式（如冷挤齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。（ 2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调剂被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范畴，并使机械手变的更灵活，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。一样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

27、简化结构，能够不设腕部，而直截了当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，灵活但回转角度小（一样小于2700） ,同时要求严格密封，否则就难保证稳固的输出扭距。因此在要求较大回转角的情形下，采纳齿条传动或链轮以及轮系结构。（ 3）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畴内任意一点。如果改变手部的姿势（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一样来讲臂部具有三个自由度才能满足差不多要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种

28、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，从臂部的受力情形分析，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、工作范畴、灵活性以及抓重大小和定位精度直截了当阻碍机械手的工作性能。（ 4）行走机构当工业机械手需要完成比较远的距离的操作时，能够在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。我国的正处于仿真时期。1.4.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。按照动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采纳液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、操纵方便。1.4.3

29、操纵系统及其分类它是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的操纵系统一样由程序操纵系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。在机械手的操纵上，有点动操纵和连续操纵两种方式。大多数用插销板进行点位操纵。1.5工业机械手的分类工业机械手的种类专门多，关于分类的咨询题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范畴、驱动方式和操纵系统等进行分类。按使用范畴能够分为：专用机械手和通用机械手两大类。前者一样附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和操纵系统能够独立，亦可附属于工作机器设备。而后者是独立工作的自动化机械装置。在规格性能范畴内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，

30、驱动系统和操纵系统是独立的。按驱动方式能够分为：液压传动机械手、气压传动机械手、电动传动机械手、机械传动机械手。1 液压传动机械手是以由油液的压力来驱动执行机构运动的机械手。其要紧特点是：抓重能够达到几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。然而对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有专门大的阻碍，同时不宜在高温、低温下工作。若机械手采纳电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹操纵，使机械手的通用性扩大，然而电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其要紧特点是：介质来源极其方便、气动动作迅速、结构简单、成本低。然而，

31、由于空气具有可压缩的特点，工作速度的稳固性较差，而且气源压力较低，抓重一样在30 公斤以下，适用于高速、轻载、高温顺粉尘大的环境中进行工作。3机械传动机械手即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的要紧特点是运动准确可靠、动作频率高，但结构较大，动作程序可不变。它常被用于为工作主机的上、下料。4电动传动机械手即由专门结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直截了当驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，爱护和使用方便。此类机械手目前还

32、不多，但有进展前途。按操纵方式能够分为：点位操纵和连续轨迹操纵。前者它的运动为空间点到点之间的移动，只能操纵运动过程中几个点的位置，不能操纵其运动轨迹。若欲操纵的点数越多，则必定增加电气操纵系统的复杂性。目前多数机械手属于点位操纵。后者它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于操纵之下，能够实现平稳和准确的运动，同时使用范畴广，然而电气操纵系统复杂。1.6 工业机械手的进展趋势（1）工业机器人性能持续提升（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和修理），而单机价格持续下降，平均单机价格从91 年的 10.3万美元降至97年的 6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可

33、重构化进展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品咨询市。(3)工业机器人操纵系统向基于PC机的开放型操纵器方向进展，便于标准化、网络化;器件集成度提升，操纵柜日见小巧，且采纳模块化结构:大大提升了系统的可靠性、易操作性和可修理性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采纳传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采纳视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策操纵多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器

34、人中的作用已从仿真、预演进展到用于过程操纵如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感受来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的进展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互操纵，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入有用化时期。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人确实是这种系统成功应用的最闻名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探究开拓事实上际应用的领域。我国的工业机器人从80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、 “八五”科技攻关，目

35、前己差不多把握了机器人操作机的设计制造技术、操纵系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有 130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站 )上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上缘故要紧是没有形成机器人产业，当前我国的机器人一辈子

36、产差不多上应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳固。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，主动推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”打算的支持下，也取得了许多成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直截了当遥控机器人、双臂和谐操纵机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触有了一定的进展基础。然而在多传感器信息融合操纵技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人

37、化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供有用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。有了一定的进展基础。然而在多传感器信息融合操纵技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供有用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.7 工业机械手的自由度和座标型式1 工业机械手的自由度自由度是机械手设计的要紧参数，每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动称为

38、自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、 Y、 Z 三个方向独立的往复运动和绕X、 Y、Z 轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为，组成运动副的各构件的运动是受到约束的，不能任意运动，必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系，不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又能够分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。所谓工业机械手的自由度确实是整机、手臂和手腕有关于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作或吸

39、盘的吸放动作一样不记在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。一样为了确定被抓取对象在空间的位置和方位？（即姿势），需要有六个自由度。但实际上由于有些工件或工具具有对称性或放置状态一定，往往并不需要工业机械手都具有六个自由度。工业机械手的自由度数越多。它的动作越灵活，应用越广，但同时也使操纵系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。因此，在设计工业机械手时，应按照生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为2 5 个。2 座标型式按机械手手臂的不同运动形式及其组合情形，其座标型式能够分为下列几种：（ 1）直角

40、坐标式：其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X 轴的伸缩、沿Z 轴的升降、沿Y 轴的横移。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。然而由于占地面积大而工作范畴小以及灵活性差，限制了它的使用范畴。（ 2） 圆柱座标式：其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿直角座标系的X 轴的伸缩、沿Z 轴的升降和绕Z 轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范畴小，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛，然而由于机械手结构的关系，沿Z 轴方向移动的最低位置受到限

41、制，故不能抓取地面上的物件。（ 3）球座标式：其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成，即沿 X 轴的伸缩、绕Y 轴的俯仰和绕Z 轴的回转。这种座标型式的机械手称为）球座标式机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能 适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平 位置或其它状态。这种型式的机械手手臂具有动作灵活，占地面积小而工 作范畴大等特点，它使用于沿轴伸缩方向外作业的传动形式。然而结构复 杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。（ 4）关节式：其机械手的运动类似人的手臂可作几个方向的转动，它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之

42、间的联动为肘关节，大臂与立柱之 间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三 个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回转。这种座标型 式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范畴大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去 抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。然而关节式机械手的 手指定位是由各个关节相互转角来决定的，因此定位精度较差，另外，操 纵装置和机械机构比其它型式的机械手均复杂。机械手座标型式的正确选择，要通过座标型式方案的比较来确定。在拟定座标型式方案时，又须按照现场具体生产情形和工艺、精度、安装空间的要求

43、，结合各种座标型式的特点来分析比较，确定比较合理的座标型。1.8工业机械手的展望 目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在持续提升。由于进展时刻较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步 完善的过程，其目前的展望为：（ 1）扩大机械手在热加工行业上应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。因热加工作业的物 件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来许多困难， 这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时， 在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的持续提升，而逐步扩大机械手

44、的使用。（ 2）提升工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的逐个平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应进展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服操纵系统应用于机械手上。（ 3）进展组合式机械手从机械手本身的特点来讲。可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，然而它的成本高，专用机械手价廉，但适用范畴又受到限制。因此，对一些专门用途的场合，就需要专门设计、专门加工，如此就提升了产品成本。为了适应应用领域

45、分门不类的要求，可将机械手的机构设计成能够组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）按照作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的操纵部分，即成为能完成专门要求的机械手。它能够简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组合专业化生产，有利于提升机械手的质量和降低造价，是一种有进展前途的机械手。（ 4）研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”关于需用人工进行灵活操作及需要进行判定的工作场合，工业机械手专门难替代人的劳动。如在工作过程中显现事故、障碍和情形变化等

46、，机械手不能自动辨论纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能连续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，期望使其具有“视觉”、 “触觉”等功能，使之对物体进行判定、选择，能连续调剂以适应变化的条件，并能进行“手眼”和谐动作。这就需要一个能处理大量信息的运算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。这种带“视觉”、 “触觉”反馈的，由运算机操纵的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括：识不、学习、经历、分析判定的功能。而识不功能是通过“视觉”、 “触觉”和“听觉”等感受“器官”认识对象的。具有感受功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能准确的夹持任意方位的物件，判

47、定物件重量，越过障碍物进行工作，自动检测夹紧力的大小，同时能自动调剂，适用于从事复杂、周密的操作，如装配作业(国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙仅有20微米的汽缸内)，它有着一定的进展前途。智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、操纵论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生气械学等学科。它是当代自动操纵技术的一个新兴领域。随着科学技术的进展，智能机器人将会代替人做更多的工作。1.9 本文要紧研究内容本文研究了国内外机械手进展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。在此基础上，确定了搬运机械手的差不多系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完

48、成了机械手机械方面的设计工作(包括传动部分、执行部分、驱动部分)的设计工作。1.10 本章小结本章简要的介绍了机械手的差不多概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及操纵部分三个方面讲明。比较细致的介绍了机械手的进展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。2 机械手的总体设计方案本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计要紧任务是完成机械手的结构方面设计，在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是此次设计的要紧任务。2.1 机械手差不多形式的选择常见的工业机械手按照手臂的动作形状,按坐标形式大致能够分为以下4 种 : (1)直角

49、坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手;单紧凑，定位精度较普；图1.1是机械手搬运瑞图中机械手的A上的物品搬运到传送带B。图1.1机械手差不多形式示意2.2 机械手的要紧部件及运动在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的差不多方案选定后，按照设计任务， 为了满足设计要求，本设计关于机械手具有 4个自由度既：手部回转；手 臂伸缩；手臂回转；手臂升降4个要紧运动。本设计机械手要紧由4个大部件和5个液压缸组成：(1)手部，采纳 一个双作用式液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。(2)腕部，采纳一个回转液压缸实现手部回转1800 (3)臂部，采纳直线缸来实现手臂平动 1. 2m。(

50、4)机身，采纳一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。2.3 驱动机构的选择驱动机构是工业机械手的重要组成部分，工业机械手的性能价格比在 专门大程度上取决于驱动方案及其装置。 按照动力源的不同，工业机械手的 驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。液压机构驱动机械手的优点：(1)由于液压传动是油管连接，因此借助油管的连接能够方便灵活地布 置传动机构，这是比机械传动优越的地点。例如，在井下抽取石油的泵可 采纳液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。由于液压缸的推力 专门大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已差不多取代了 老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方

51、。(2)液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。例如，相同功率液压 马达的体积为电动机的12%13%。液压泵和液压马达单位功率的重量指 标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W(牛/瓦)，发电机和电动机则约为0.03N/W。(3)可在大范畴内实现无级调速。借助阀或变量泵、变量马达，能够实现无级调速，调速范畴可达1 : 2000,并可在液压装置运行的过程中进行调 速。(4)传递运动平均平稳，负载变化时速度较稳固。正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采纳液压传动。(5)液压装置易于实现过载爱护借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

52、(6)液压传动容易实现自动化借助于各种操纵阀，专门是采纳液压操纵和电气操纵结合使用时，能专门容易地实现复杂的自动工作循环，而且能够实现遥控。(7)液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。液压机构驱动机械手的缺点:(1)液压系统中的漏油等因素，阻碍运动的平稳性和正确性，使得液压传动不能保证严格的传动比。(2)液压传动对油温的变化比较敏锐，温度变化时，液体粘性变化，引起运动特性的变化，使得工作的稳固性受到阻碍，因此它不宜在温度变化专门大的环境条件下工作。(3)为了减少泄漏，以及为了满足某些性能上的要求，液压元件的配合件制造精度要求较高，加工工艺较复杂。(4)液压传动要求有

53、单独的能源，不像电源那样使用方便。(5)液压系统发生故障不易检查和排除。总之，液压传动的优点是要紧的，随着设计制造和使用水平的持续提升，有些缺点正在逐步加以克服。液压传动有着广泛的进展前景。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。2.4 机械手的技术参数列表2.4.1 用途：搬运:用于车间搬运2.4.2 设计技术参数:1、抓重:5Kg (夹持式手部)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:1600mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂运动参数伸缩行程：1500mm伸缩速度：750mm/s升降行程：800mm升降速度：250mm/s回转范畴：0o220o7、手腕运动参数

54、回转范畴：0o220°2.5 本章小结本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的差不多形式以及自由度，确定了本设计采纳液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计运算将以次进行。3 机械手手部的设计运算3.1 手部设计差不多要求（ 1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（ 2） 手指应具有一定的张开范畴，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。（ 3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。（ 4） 应保证手抓的夹持精度。3.2 典型的手部结构（ 1） 回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。（ 2） 移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。（ 3）平面平移型。3.3 机械手手抓的设计运算3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角 =6