三自由机械手毕业设计论文

目 录前沿1第一章 机械手的总体设计21.1 确定设计方案21.2 主要技术参数21.3 机械手结构组成3第二章 手指设计52.1 设计时要注意的问题52.2 被夹取零件尺寸及重量的计算52.3 夹紧力的计算5第三章 腕关节的设计83.1 腕关节所选择的形式83.2 驱动方式的比较83.3 汽缸的设计83.4 气源的选择9第四章 小臂的设计104.1 设计时注意的问题104.2 小臂结构的设计104.3 小轴的设计计算114.4 轴承的选择124.5 轴承摩擦力矩的计算124.6 驱动选择13第五章 大臂的设计计算155.1 大臂总体结构的设计155.2 大轴的设计计算165.3 轴承的选择165.4 轴承摩擦力矩的计算175.5 驱动系统的选择18第六章 机身的设计196.1 设计机身时注意的问题196.2 运动要求196.3 机身的固定19致谢20参考文献21前言机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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。在工业生产过程中，尤其在自动流水线上，零件的加工和搬运都可能用到机械手。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。1、简史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Unimate（即万能自动）。运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。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。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。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从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KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；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，是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FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。2、 应用简况现代工业中，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基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，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。有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。3、 发展趋势目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。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，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。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。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。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。此外，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。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。第一章 机械手的总体设计1.1 确定设计方案机械手是一种模仿人手部分动作,按照预先设定的程序、轨迹或其它要求，实现抓取、搬运工件或者操纵工具的自动化装置。1.1.1机械手设计原则总体设计的任务：包括执行系统、驱动系统、控制系统的设计及参数计算。总体设计后要进行各部件的强度、刚度、驱动力验算。1、运动设计及确定主要要求手架能作任何角度的伸缩和转动2、驱动方式：液压、气压驱动该机械手是独立的自动化机械装置。3、通用性高，机械手结构比较复杂。手臂可作前后伸缩、上下升降和水平左右摆动三个动作，手臂可以绕Z轴转动360度4、按驱动方式分为联合驱动，电力驱动，液压驱动。5、按臂力大小来说是中型机械手。1.1.2 机械手基本形式的选择常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标。图1.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。1.1.2机械手的主要部件及运动本设计机械手主要由4个大部件和液压缸组成：（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个回转液压缸实现手部回转（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动1.2m。（4）机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。1.1.3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很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 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。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。本课题是轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及ADAMS软件进行简单的运动仿真。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、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过ADAMS软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。1.2 主要技术参数 1、抓重:60Kg (夹持式手部) 2、自由度数:3个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、手臂分大小臂5、最大工作半径:1600mm 6、手臂最大中心高:1248mm 7、手臂运动参数 伸缩行程：1200mm 伸缩速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s8、手腕运动参数 回转范围: 0360 1.3 机械手结构组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.3.1 执行机构（1）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）。手部多为两指（也有多指）；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）和电磁吸盘。 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。（2） 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（一般小于 2700）,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。（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。（4） 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。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 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。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，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。第二章 手指设计工业机器人的手又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手等。本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指2.1 设计时要注意的问题机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长。机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机械手设计时的驱动系统的要求有以下几点：(1)驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；(2)反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；(3)驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；(4)安全可靠；对环境无污染，噪声要小；(5)操作和维护方便；(6)经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用步进电机驱动的方式对机器人进行驱动。2.2 被夹取零件尺寸及重量的计算拟定物料搬运机器人手部最大抓取重量为8kg，其夹角为31度。根据工作位置和工作环境的需要，最终采用如图3所示结构。手部机架采用铸钢铸造，其摩擦系数，重力加速度取。夹紧时由力学关系可以得到公式：，从而得到夹紧力由公式，知所需的驱动力夹紧机构采用丝杠传动原理传送夹紧力，拟定丝杠的大径，螺距设为，牙型角为的梯形普通螺纹2.3夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 手指对工件的夹紧力可按公式计算： （3.2）式中 安全系数，通常1.22.0； 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度； 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s 方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G被抓取工件所受重力（N）。第三章 腕关节的设计3.1 腕关节所选择的形式机械手的手腕连接于手和手臂之间,用于调整手的方向.此机械手能旋转任何角度,所以手腕能分别独立的绕X、Y、Z轴向实现转动即实现手腕的任何角度的伸缩和转动. 本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用气动驱动。3.2 驱动方式的比较表1 三种驱动方式的特点对照内 容驱 动 方 式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率很大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制。控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小。伺服电动机易于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题。安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险。防爆性能好，高于1000kPa时应注意设备的抗压性。设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性