三自由度搬运机械手的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 机械手是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机械手是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示 其优越性，有着广阔的发展前途。 本课题的主要内容是采用机械设计原理，进行三自由度搬运机械手的设计，熟悉三自由度机械手的运用场合和相关的设计步骤。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合三自由度设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题解决问题 且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机械手使用方便，结构简单。 关键词 ： 机械手，输送工件，搬运，三自由度买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is a of is to of a of It is an of of to or of of in of is In it be in is of of of of of a of of so as to of of in to to in to to of 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 摘 要 . - 1 - . - 2 - 1 绪论 . - 5 - . - 5 - 械手的组成 . - 6 - 械手的分类 . - 7 - 第 2 章 搬运机械手机构总体方案设计 . - 9 - 运机械手设计要求 . - 9 - 本设计思路 . - 9 - 统分析 . - 9 - 体设计框图 . - 10 - 运机械手的基本参数 .1 - 运机械手结构设计 .1 - 运机械手坐标形式的选择 .1 - 械手材料的选择 . - 12 - . - 12 - 运机械手驱动与控制系统分析 . - 13 - 动方式的选择 . - 13 - 制系统的选择 . - 13 - 3 搬运机械手机械结构设计与计算 . - 14 - 运机械手手爪设计 . - 14 - 运机械手手臂设计 . - 14 - 缩机械臂的设计 . - 14 - 降机械臂的设计 . - 15 - 转机械臂的设计 . - 17 - 部设计计算 . - 17 - 部设计计算 . - 21 - 压驱动系统设计 . - 22 - . - 24 - 机的选择 . - 24 - 柱的设计与校核 . - 25 - 座的机械结构示意图 . - 26 - 4 搬运机械手控制系统的设计 . - 28 - . - 28 - 作原理 . - 28 - 型的选择 . - 28 - 型的选择 . - 28 - 选 参数 . - 29 - 制面板的拟定 . - 30 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 械手工艺过程和控制方案的确定 . - 31 - 确工艺要求 . - 31 - 定工艺流程 . - 31 - 感器选择 . - 33 - 定 I/O 点数 . - 33 - 序编写 . - 34 - 体程序设计思路 . - 34 - . - 35 - 位程序的编写 . - 36 - 动控制程序的编写 . - 38 - 5 结论 . - 41 - 参考文献 . - 42 - 致 谢 . - 43 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪论 随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来 迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机械手作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机械手的身影。机械手产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机械手正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机械手是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机械手善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此 ，机械手的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机械手的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机械手这一发展趋势，积极地进行着机械手的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机械手或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝 (。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国 司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人 海世博会使用过的福娃机器人等等。 由于机械手的迅猛发 展，机械手进入学校教学是必然的。三自由度机械手作为是机械手的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。 械手的历史 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。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。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。 机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 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。商名为 动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年 ，美国机械制造公司也实验成功一种叫 械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 代初的机械手，是后来国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国 司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 的重要一环节。 械手的组成 一般来说，机械手主要有以下几部分组成： 1. 手部 (或称抓取机构 )：包括手爪、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。 2. 传送机构 (或称臂部 )：包 括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。 3. 驱动部分：它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和电机四种驱动形式。 4. 控制部分：它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序 (程序 )、位置和时间 (甚至速度与加速度 )等。 5. 其它部分：如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。 行机构 一般机械手的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。 动机构 驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动 和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。 液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点 ，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机械手能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。 气动驱动结构简单、造价低廉。气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力 高可达 1点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。 电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂 , 很少采用。 机械式用于简单的场合。 制机构 机械手的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 械手的分类 机械手从使用范围、运动坐标形式 、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为： 1. 按使用范围分类： (1) 专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 (2) 通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位 和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。 2. 按运动坐标型式分类： (1) 直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X、 Y、 Z 三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩 (定为沿 X 方向的移动 )、左右移动 (定为沿 Y 方向的移动 )和上下升降 (定为沿 Z 方向的移动 )； (2) 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的 X 和 Z 方向移动，又可绕买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 Z 轴转动 (定为绕 Z 轴转动 )，亦即臂部可以前后伸缩、 上下升降和左右转动； (3) 球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴 X 方向移动，还可以绕 Y 轴和Z 轴转动，亦即手臂可以前后伸缩 (沿 X 方向移动 )、上下摆动 (定为绕 Y 轴摆动 )和左右转动 (仍定为绕 Z 轴转动 )； (4) 多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接 (肘部 )以及大臂和机体的连接 (肩部 )均为关节 (铰链 )式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。 3. 按驱动方式分类： (1) 液压驱动机械手 以压力 油进行驱动； (2) 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动； (3) 电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动； (4) 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。 4. 按机械手的臂力大小分类： (1) 微型机械手 臂力小于 1 ； (2) 小型机械手 臂力为 1 10 ； (3) 中型机械手 臂力为 10 30 ； (4) 大型机械手 臂力大于 30 。 我所设计的搬运机械手，是以搬运物料为目的的圆柱坐标式三自由度机械手。它采用液压与机械传动两种驱动方式，属于小型机械手。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第 2 章 搬运机械手机构总体方案设计 运机械手设计要求 图 1 机械手工作示意图 (1) 初始状态，按启动按钮传送带 A 开始传送物料，光电传感器开始工作，机械手回原点。 (2) 当光电传感器检测到有物料时，传感器将信号传给机械手，机械手开始工作。 (3) 机械手从初始位置开始运动，通过机械手臂的旋转，机械手抓伸出，机械臂下降，机械手抓抓紧来获得传送带 A 上的 物料。 (4) 获得物料后，通过机械臂升降，机械手抓的伸缩，机械臂旋转，机械手抓的放松，将物体运送到传送带 B 上。 (5) 机械手完成这一系列动作后，开始重复工作。 本设计思路 统分析 机械手是实现生产过程自动化、提高劳动生产率的一种有力工具。要在一个生产过程中实现自动化，需要对各种机械化、自动化装置进行综合的技术和经济分析，从而判断机械手是否合适。所以要完成机械手的设计，一般要先做如下工作： (1) 根据机械手的使用场合，明确机械手的目的和任务。 (2) 分析机械手所在的系统工作环境。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (3) 认真分析系 统的工作要求，确定机械手的基本功能和方案，如机械手的自由度数目、动作速度、定位精度、抓取重量等。进一步根据抓取、搬运物体的质量、形状、尺寸及生产批量等情况，来确定机械手爪的形式及抓取工件的部位和握力大小。 对此，我进行如下分析： (1) 本设计课题为物料传送机械手设计，是通过机械手进行两地物料运输的机械手。而机械手的使用场合，非常广泛，要涉及到物料的状态，运作流水线的环境等等因素，相较于我所掌握的理论知识和能力，我选择非批量生产的小型物体加工流水线上的物料传送机械手。 (2) 由于我所选择的机械手是非批量生产的小型物体加工 流水线上的物料传送机械手，所以，机械手所在的系统工作环境一定是工厂，要求精度高，容错率低，速度快。 （ 3）再者是搬运物体的考虑，由于是小型物件，所以对机械手的抓取力量并无太高要求，而物体形状初步拟定为圆柱形，方便设计。 体设计框图 人 机 交 互 系 统( 系 统 软 件 、 编程 语 言 系 统 )控 制 器 及控 制 算 法控 制 系 统驱 动 系统 ( 各 驱动 器 )机 械 系 统 ( 机身 、 臂 部 、手 腕 、 手 爪 )作 业 对 象内 部 传 感 器 信 息 反 馈工 作 对 象 及 环 境 信 息 反 馈感 知 系 统图 2 总体设计框图 如图 2为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 选择， (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置 。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 运机械手的基本参数 1. 机械手的最大搬运物料的重量是它的主参数。本论文物料传送机械手所搬运的物料质量可设定为 5 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也是是物料物料传送机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响机械手动作的平稳性。该机械手的最大平移速度为 1m/s。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设计的基本参数。过大的工作半径和伸缩行程，会增大机械手的运动负载，使得机械手刚性降低，而工作半径过小则不能够实现机械手的功能，限制了机械手的应用和扩展性。本论文物料传送机械手设定水平反向伸缩行程 200转角度范围为 90。机械手竖直方向的升降行程为 100 械手精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本 的增加。综合考虑，士 1间。物料传送机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料传送机械手各关节的行程和时间分配来决定。 表 1 物料传送机械手基本参数（自定） 水平机构 伸出范围： 0500直机构 升降范围： 100出速度： 334mm/s 上升速度： 200mm/s 收缩速度： 334mm/s 下降速度： 200mm/s 定位精度： 士 1位精度： 士 1转机构 回转角度： 180 手爪 搬运范 围 500转速度： 90 /s 定位精度： 士 5 运机械手结构设计 运机械手坐标形式的选择 根据所设计的机械手的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降，机械臂的伸缩，得到了机械臂的三个自由度。根据上文所说的，机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 械手材料的选择 机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来进行选择，并满足机器人的设计和制作要求。从设计的思想出发，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、结构性、质量等性质一起考虑。 总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料： (l)碳素结构 钢和合金结构钢等高强度钢 :这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了 45 倍、弹性模量 E 大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料 ; (2)铝、铝合金及其它轻合金材料 :其共同特点是重量轻、弹性模量 E 不大，但是材料密度小，则 E/p 之比仍可与钢材相比 ; (3) 陶瓷 :陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工型不好，与金属等零件连接的接合部需要特殊设计。然而，日本己试制了在小型高速机器人上使用的陶瓷机器人手臂的样品 ; 从本文设计的机械手的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力， 此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件 械臂的运动方式 根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种 :直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和 。同一种运动形式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。 考虑到机械手的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型机械手。这类机械手一般由 2 个肩关节和 1 个肘关节进行定位，由 2 个或 3 个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时空间内手臂的干涉最小、结构紧凑、占地面积小、关节上相对运动部位容易密封防尘。但是这类机械手运动学比较复杂，运动买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 学的反解比较困难 ;确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。 图 3 常见的运动方式 运机械手驱动与 控制系统分析 动方式的选择 机械手常用的驱动方式主要有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种基本形式。 液压驱动的特点是功率大、结构简单，可省去减速装置，响应快，精度较高。但是需要有液压源，而且容易发生液体泄漏。 气压驱动的能源、结构都比较简单，但与液压驱动相比，功率较小，速度不易控制，精度不高。 电机传动能源简单，机构速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高，使用方便，噪声低，控制灵活。 起初，我先选择电动机的传动结构，但是考虑到机械手的升降运动运用纯机械结构并不能达到理想传动效果。而机械手臂 旋转如若使用气压或者液压传动，就必须带有旋转气压或者旋转液压缸，相对来说结构较为复杂，不利于设计。 故改良方案，将驱动方式分成两个部分。其中，机械臂的回转采用电机传动的驱动方式，通过电机带动齿轮链进行旋转传动；而机械臂的伸缩、升降和机械手抓的抓取，都采用气压驱动方式。 制系统的选择 这里选择用 制的控制系统。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 搬运机械手机械结构设计与计算 运机械手手爪设计 设计时考虑的几个问题： 1. 具有足够的夹紧力：在确定手爪的握力时，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. 手爪间应具有一定的开闭角：两手爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手爪的开闭角。手爪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。对于移动型手爪只有开闭幅度的要求。 3. 保证工件准确定位：为使手爪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，选择相应的手爪形状。考虑被抓取对象的要求，手爪形状设计成 4. 具有足够的强度和刚度：手爪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，应当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 。 运机械手手臂设计 机械手臂，在我的设计中，涉及到三个自由度：升降、伸缩、旋转。水平手臂作伸缩用，而垂直手臂则有两部分组成。与底座连接部分为机械臂旋转部分，通过电机带动齿轮链使得机械臂旋转；上面部分为机械臂升降部分，通过气压驱动控制机械臂的升降。所以，我将机械手臂的设计分为三个步骤，先完成垂直臂的设计，再完成水平臂的设计 。 缩机械臂的设计 (1) 在校核尺寸时，只需校核气压缸内径 1D =50径 R=25设计使用压强 ,则驱动力： 2 6 (3（ 2）分析计算伸缩手臂加速度： 如下图所示， ,将其分为三段，分别为加速状态 1t ，匀速状态 2t 和减速状态3t。切运动距离 L 为 500以有公式： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 (3又有加速度公式 .0 (3(3) 测定手臂质量为 555021 ,加速度 2/33.0 ，则惯性力： 1 (3(4) 考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 2.0k , )(3总受力 10 (30 所以气压缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 降机械臂的设计 1. 尺寸设计 气压缸运行长度设计为 l =80压缸内径为 1D =80径 R=40强p=驱动力： 20 . 9 6 (32. 尺寸校核 （ 1）测定手臂质量为 53