气动机械手的设计3331

1、学 院： 工学院、职业技术教育学院 课程设计题目： 机械手及控制系统设计 学 生 姓 名 ： 陈叶松 专 业 班 级： 机电一体化技术101班 学 号： 10531112 指 导 老 师 ： 邵金均、朱春耕 完 成 日 期 ：11- 摘 要气动机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，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，能在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、轻工和原子能等部门。本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取

2、、搬运和卸载。气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。 目 录1 绪论11.1 机械手简史11.2 机械手的分类31.3 机械手的组成61.4 应用机械手的意义82 机械手总体设计方案和气动回路的设计102.1 机械手的运动规划102.2 机械手基本形式的选择122.3 机械手的主要部件及运动132.4 驱动机构的选择132.5 机械手的技术参数列表132.6 气动回路的设计143 气动机械手的机械结构设计153.1机械手末端执行器的设计153.1.1

3、 末端执行器的概述153.1.2 末端执行器的运动和驱动方式163.1.3 末端执行器的典型结构163.1.4 末端执行器的具体设计173.2机械手手臂的设计193.2.1 机械手手臂的设计要求193.2.2 机械手手臂的具体设计方案203.2.3 伸缩手臂的设计213.2.4 升降手臂的设计243.2.5 回转臂设计264 结论30致谢31参考文献321 绪论机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工

4、业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业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。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。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。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，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促

5、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。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 机械手简史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控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作

6、功能的柔性自动化产品。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。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，控制系统是示教型的。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；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（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

7、手的中央立柱可以回转，臂可以回转、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-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，定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，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。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间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间），由400小时提高到1500小时，

8、精度可提高到±0.1毫米。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。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。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1976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。1979年120多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

9、固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆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。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机器人）则能独立地完成

10、工作过程中的任务。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(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机器手（机器人）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很多。1.2 机械手的分类目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。1.按驱动方式分类按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的几种。（1）液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组

11、成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。（2）气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。（3）电动式机械手。电力驱动是目前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。由于电机速度高，通常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速

12、机构、滚珠丝杠和多杆机构）。目前也有一些特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。其他还有采用混合驱动的机械手，如液-气混合驱动机械手或电-气混合驱动机械手。2.按用途分类机械手按用途可分为下列几种。（1） 搬运机械手;（2） 喷涂机械手;（3） 焊接机械手;（4） 装配机械手;（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。3.按操作机的位置机构类型和自由度数量分类操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。按这一分类要求，机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型机械手。a） 直角坐标型  b）圆柱坐标型 

13、c）球坐标型  d）多关节型  e）平面关节型图1-1工业机械手的基本结构形式操作机本身的自由度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。4.按其他方法还可以分为（1）家务型机械手：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。（2）操作型机械手：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。（3）程控型机械手：按预先要求的顺序及条件，依次控制机械手的机械动作。（4）示教再现型机械手：通过引导或其它方式，先教会机械手动作，输入工作程序，机械手则自动重复进行作业。（5）数控

14、型机械手：不必使机械手动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机械手根据示教后的信息进行作业。（6）感觉控制型机械手：利用传感器获取的信息控制机械手的动作。（7）适应控制型机械手：能适应环境的变化，控制其自身的行动。（8）学习控制型机械手：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。（9）智能机械手：以人工智能决定其行动的机械手。本次机械手运动控制系统设计任务是：1) 设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书；2) 课题内容简介或设计要求：机械手运动控制系统的总体方案如下图所示，机械手运动范围0-200mm，机械手移动步距

15、0.01mm,步进电机驱动，完成：（1）机械本体结构方案设计（绘制 A3 幅面机械结构草图一张） ; （3）控制器的控制程序设计（绘制 A3 幅面程序流程框图一张） ; （4）机械本体结构部分的设计包括：丝杠导程选择、丝杠支承结构选择、螺旋机构运动部件导向机构选择、步进电机的安装结构以及与丝杠的连接结构设计。（5）控制器采用 MCS-51 单片机。程序流程框图尽量详细，图框中用文字说明。程序代码用 C 语言或汇编语言编写，每行都要添加文字注释。（6） 控制程序的功能是实现机械手的匀速循环动作：开始控制之前机械手的运动部件处于运动范围内的随机位置上，开始控制后，运动部件向任意方向移动。当位置传感

16、器检测到运动部件到达运动范围的极限位置时，运动部件停止 1 秒，然后反向移动，在运动范围的中点停下，该位置作为机械手的初始位置。机械手的运动部件到达初始位置后停 2 秒，以初始位置为中心，在±5mm 的位置之间移动，移动到±15 mm时停 1 秒。 根据任务要求本次设计我们采用气压式机械手1.3 机械手的组成工业机械手通常由执行机构、驱动传动装置、控制系统和智能系统四部分组成。图1-2为工业机械手的典型结构，图1-3为工业机械手的组成方框图。 图1-2工业机械手的典型结构 手部腕部臂部执行机构腰部基座部（固定或移动） 工业机械手电、液或气驱动装置 驱动装置 单关节伺服控制器

17、 控制系统关节协调及其它信息交换计算机感觉装置子视觉装置子 智能系统语言识别装置 图1-3工业机械手的组成方框图执行机构（也称操作机）是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由杆件和关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。手部又称末端执行器，是工业机械手直接进行工作的部分，可以是各种夹持器。有时人们也把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器手的手部；腕部与手部相连，主要功能是带动手部完成预定姿态，是操作机的中结构最为复杂的部分；臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆（小臂和大臂）组成，用于带动腕部做平面运动；腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动加上臂部的

18、平面运动，就能使腕部做空间运动。腰部是执行结构的关键部件，它的制造误差、运动精度和平稳性，对机械手的定位精度有决定性的影响；基座是整个机械手的支撑部分，有固定式和移动式两种。该部件必须有足够的刚度和稳定性。工业机械手的驱动-传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，它们通常与执行机构连成一体。传动装置常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮系。驱动器通常有电机（直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机）、液压或气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机械手的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，

19、即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机械手的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统。它可分为两个部分：感知系统和分析-决策智能系统。前者主要靠硬件（各种传感器）实现;后者主要靠软件（如专家系统）实现。1.4 应用机械手的意义随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械

20、工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，

21、特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。2 机械手总体设计方案和气动回路的设计本课题是一个用于传送带上轻型平动搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及气动回路的设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度

22、、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。2.1 机械手的运动规划机械手运动规划包括序列规划(又可称为全局路径规划)，路径规划和轨迹规划3个部分。序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点。再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间(若插补在关节空间进行则无需转换)，形成各关节的运动轨迹。序列规划为机械手的所有作业点生成一个最优的工作序列。作业点是机械手为完成工作所必须达到的位置和姿

23、态。机械手的一次作业任务往往有几十个到上百个作业点，这些作业点的加工次序通常是任意的，或者仅仅存在局部的限制(即某几个作业点之间存在着固定的前后关系)，序列规划的目标就是通过某种算法生成一个能满足作业限制的最优作业序列，一般以时间作为规划优劣的度量标准。当机械手在有障碍物的环境中运动时，为了从当前作业位置到达下一个位置，需要在机械手工作空间确定一条无碰撞的运动路径，即这条路径应处于机械手的自由空间中，因此，路径规划的过程实际上是一个带几何约束的问题求解过程。从上面的论述可以看出，机械手运动规划主要包括两个方面，一是生成所有作业点最优工作序列的序列规划，二是在相邻作业点之间生成无碰撞路径的路径规

24、划。序列规划和路径规划的总体目标是作业时间最短，规划的约束条件是作业顺序的限制以及碰撞的避免。机械手运动规划的算法建立在已有的各种方法之上，下面简要分析已有的各种序列规划和路径规划方法，以及路径规划过程中的碰撞检测方法。1序列规划 目前机械手序列规划方法的研究还处于发展阶段，由于各种作业任务的复杂性。至今还没有通用的序列规划算法。在使用机械手进行装配，插孔，点焊的应用中，较为普遍的方法是把序列规划问题转化为“旅行商问题”(TSP)来解决。即机械手从起始点开始，经过一系列作业点，并在各作业点停留，完成所有作业后，最终回到起始点的时间最短规划算法。旅行商问题的求解成为求解序列规划问题的关键。目前，

25、旅行商问题的近似最优解求解算法已经得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括启发式算法，模拟退火算法，遗传算法等。其中启发式算法可以细分为环路扩充法和环路改进法，或是两种方法的综合，一般利用邻接矩阵按照一定的规则变换来求解，计算量和求解结果都能满足要求。2路径规划 机械手路径规划的目标是在两个作业点之间生成一条无碰撞路径。机械手路径规划算法主要有4类：C-空间法，人工势力场法，假设-修正法，预处理-规划算法。另外，遗传算法、神经网络算法等智能算法已经成为机器人路径规划的研究热点和发展方向，这些算法在实际中都有初步的应用，取得了较好的规划效果。3碰撞检测 路径规划的目标是在起始点和目标点之间生

26、成一条无碰撞路径，这使得碰撞检测成为解决路径规划问题的关键上面提到的4种路径规划算法都需要进行碰撞检测或需要计算机器人和障碍物之间的距离。判断两个物体是否有碰撞发生有两种方式，一是定性判断。二是定量计算。定性判断方法最主要有“包围盒层次法”，其基本思路是用一个简单的包围盒将复杂的几何形体围住。当对两个物体进行碰撞检测时。首先检测两者的包围盒是否相交，若不相交。则说明两个物体未相交，否则再进一步对两个物体做检测。因为求包围盒的交比求物体的交简单很多，所以可以快速排除很多不相交的物体，从而加速了算法。对于复杂物体，可以将物体及其子部分的包围盒组成层次结构，如二叉树。在各种机器人路径规划算法中，往往

27、需要以机器人和障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度作为路径规划的启发性信息，以加快规划速度，因此在路径规划中不仅需要判断有无碰撞发生，还要计算机器人与障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度。目前，两个刚性物体之间的距离计算有很多算法。其中对凸多面体的计算最为成熟。凸多面体之间的距离有两类：分离距离和嵌入距离。目前，凸多面体间的距离范数主要有平移距离、成长距离、收缩距离、伪平移距离等。在现实环境中，机器人及障碍物一般是凹几何体，可以采用分割的方法把凹几何体分割为多个凸几何体的组合。对一般凸几何体如球、圆柱等，可以用紧包围它的凸多面体来近似。然后用凸多面体间的距离近似原凸几何体之间的距离。2

28、.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型。图2-1 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。其工艺流程：机械手原位机械手下降机械手抓取并夹紧机械手上升机械手正转机械手前伸机械手下降机械手松开机械手上升机械手后退机械手逆转退至原位停止。图2-1 机械手基本形式示意图2.3 机械手的主要部件及运动在圆柱坐标式机械手的基

29、本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。本设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：（1）手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3）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。2.4 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。气动机械手因为结构简单、成本低廉、重量轻、动作迅速、平稳、安全、可靠、节能和不污染环境等优点

30、而被广泛应用在生产自动化的各个行业。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。2.5 机械手的技术参数列表一、用途：车间皮带机之间的搬运垂直轴转动、上下Z方向、横向X方向运动、机械手转动和夹紧。垂直轴转动和机械手转动转动由直流电机控制，上下Z方向、横向X方向运动由步进电机控制, 夹紧由气动完成。二、设计技术参数：1、抓重：2Kg (夹持式手部)2、自由度数：2个自由度3、坐标型式：圆柱坐标4、最大工作半径：335mm5、机身最大中心高：415mm6、主要运动参数：手臂伸缩行程：200mm 手臂伸缩速度：200mm/s机身升降行程：100mm 机身升降速度：100mm/s机身回转范围：0- 190&#

31、176; 机身回转速度：60°/s2.6 气动回路的设计机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作，设计的气动回路图如图2-2所示。图2-2 机械手气动回路图本设计的气动机械手完成各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择两位五通换向阀控制各个气缸的运动方向，气缸的进出口回路各设置一个单向节流阀，通过控制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节省成本，又可以提高劳动生

32、产率。 3 气动机械手的机械结构设计3.1机械手末端执行器的设计3.1.1末端执行器的概述末端执行器是装在机械手臂的末端处，用于机械手完成作业任务而专门设计的装置。末端执行器种类繁多，与机械手的用途密切相关，根据其用途，末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等种类。搬运用末端执行器是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体。加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器人附加装置，用来进行相应的加工作业。测量用末端执行器是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。在设计机械手末端执行器时，应注意以下问题；1.机械手末端执行器是根据机械手作业要求来设计的。一个新的末端

33、执行器的出现，就可以增加一种机械手新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机械手末端执行器，将不断的扩大机械手的应用领域。2.机械手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力和机械手容许的负荷力。因此，要求机械手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。3.机械手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机械手末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机械手多种作业功能，而不

34、主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。5.机械手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机械手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。3.1.2末端执行器的运动和驱动方式末端执行器即机械手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，

35、有外夹式和内撑式两种。机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可能产生火花和发热。3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连

36、续位置控制。根据综合情况本次实训采用的是气动驱动方式3.1.3末端执行器的典型结构1.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松开和夹紧，来实现抓取工件。2.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。3.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。4.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。5.平行杠杆式手爪采用平行四边形机构，因此不需要

37、导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。3.1.4末端执行器的具体设计由于本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可。本设计要求机械手手爪的最大持重m=2Kg，自重55克。根据具体的工作要求，选择标准平行开闭型气爪，其结构如图3-1所示。当A口进气B口排气时，气缸活塞杆1伸出，通过杠杆2绕杠杆轴8回转，带动两个手指4通过一组钢球3在导轨5上作向外直线运动，两手指便张开，松开工件。止动块6限制手指张开行程，定位销7保证直线导轨不错位。图3-1平行开闭型气爪结构原理图1-活塞杆 2-杠杆 3-钢球 4-手指 5-导轨 6-止动块 7-定位销 8-杠

38、杆轴对夹持工件进行受力分析如图3-2所示， 2个手指的总夹持力产生的摩擦力2µF必须大于夹持工件的重力mg，故应满足 2µF>mg即 F>mg/2µ式中 µ摩擦系数，本设计的夹持辅助件材料为硬质橡胶，一般令µ=0.65；由此 F>mg/2µ=2×9.8/(2×0.65)=15.1N 图3-2 夹持工件受力示意图根据计算出的夹持力的大小和表3-1，可选择合适的末端执行器（手爪）的型号：MHZ2-10D。表3-13.2机械手手臂的设计3.2.1 机械手手臂的设计要求手臂是机械手的主要部分，它的作用是支

39、承手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。手臂的伸缩运动由伸缩手臂完成，手臂的回转和升降运动设置在机身处，分别由回转臂和升降手臂完成。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，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。在进行机械手手臂设计

40、时，要遵循下述原则：1.应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行，相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。3.为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度

41、铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。4.机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响

42、应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。6.机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。3.2.2机械手手臂的具体设计方案 常见的手臂结构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层气缸空心结构。（3）双活塞杆气缸结构。（4）活塞杆和齿轮齿条机构。

43、在本气动机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所能执行的运动示意图如图3-3所示。图3-3 机械手运动示意图将旋转气缸安装在底板上，就可以实现摆动运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在两个位置（完全伸出和回缩位置）之间进行切换。根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大部分：伸缩手臂的设计，实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直升降运动；回转臂的设计，完成机械手的回转运动。3.2.3伸缩手臂的设计伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部

44、件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。由于伸缩手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸缩手臂的设计应该保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸（如图3-4）。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，

45、二面接管位置可供选择。图3-4 新薄型带导杆气缸根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm，气爪抓重约为2Kg，加上末端执行器（气爪）和连接板的重量，总质量约为3Kg，由此，伸缩手臂的最大横向负载F=mg=3×9.8=29.4N。根据表3-2的数据，初步选定为缸径为20mm型号为MGPL20200的气缸作为机械手的伸缩手臂。表3-2伸缩手臂作水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力和惯性力来确定。 式中 摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处的摩擦阻力； 手臂在启动过程的惯性力。其大小可按以下公式计算； 其中

46、手臂移动部件的重量（牛顿）； g重力加速度（9.8米/秒2）； 启动或制动前后的速度差（米/秒）； 启动或制动所需的时间（秒）。摩擦力的计算：不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图3-5是机械手的伸缩手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。 图3-5 伸缩手臂受力示意图由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。在垂直方向，可近似认为 FN=G总=29.4N。导杆所受到的水平方向的摩擦力 F摩=µFN 其中 µ摩擦系数，气缸导向杆的材料为钢，取µ=0.2。 将有关数据代入进行计算F摩=&#

47、181;FN =0.2×29.4=5.98N惯性力的计算：本设计要求手臂平动时V=200mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间=0.1s，启动速度V=V=200mm/s。=6N气缸所需的驱动力 F驱= F摩+ F惯=5.98+6=11.98N 气缸的理论驱动力 F=1/4d2p其中 d气缸活塞杆的直径（米）； p气缸的工作压力（帕）。根据设计技术参数 d=10mm，p=0.5MPa代入数据进行计算得 F=1/4d2p=1/4×3.14×（0.01）2×0.5×106 =39.3N由计算的结果可知 F>F驱即气缸提供的理论驱动力大于气缸

48、实际所需的驱动力，因此，伸缩手臂的设计符合设计要求。3.2.4 升降手臂的设计机械手升降手臂是直接支撑和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。按照设计要求，机械手要实现竖直方向100mm的升降运动，实现该运动的机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，要和回转臂一起综合考虑，分析。常用的机械手手臂结构有以下几种：（1）回转臂置于升降手臂之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是升降手臂在回转臂上部，回转臂需承受较大的压力。（2）回转臂置于升降手臂之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑

49、。但回转臂与伸缩手臂一起升降，运动部件较大。（3）活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。经过综合考虑，本设计选用回转臂置于升降手臂之下的结构。竖直升降手臂是完成气动机械手竖直方向运动的动力元件，由于它要承受伸缩手臂和重物的偏心负载，在选型时要求气缸能承受较大的偏心负载，另外为了减小气缸活塞杆的弯曲变形程度，需加导杆机构。升降手臂的设计可以采用普通单杆直线伸缩气缸，外加导向装置。由于升降手臂位于回转臂之上，外加的导向装置必然会加大对回转臂的压力，导向装置的安装还必须和手臂保持一定的平行度精度，对设计要求较高

50、。经查找资料，发现已经有带导杆机构的标准气缸，采用这种标准气缸，既可满足设计精度、简化设计结构，又可以节约设计成本。本设计的升降手臂直接选用导台式气缸MGF系列，如图3-6所示。该气缸高度小，相对MGQ系列减小1525%，气缸本身带导杆装置，不需要另外再设计导向机构，耐偏心负载（导杆直径较大），气缸本身附设令活塞杆不回转装置，采用最新的T形槽，可安装其它附件，磁性开关可安装在气缸的四侧。 图3-6 导台式气缸MGF系列根据前段部分的设计和机械手结构尺寸可知：最大抓重m1=2Kg；标准气爪的材料为铝合金，经查找资料得知其密度2=2.75×103Kg/m3，则标准气爪的质量m2=2V22

51、.75×103×0.016×0.057×0.0230.06Kg；伸缩手臂与标准气爪的连接板材料为45钢，其密度3=7.85×103Kg/m3 ，则连接板的质量m3=3V37.85×103×0.081×0.03×0.010.19Kg；另外伸缩手臂导杆伸出件质量m4 0.5Kg。得出偏心负载的总质量m=m1+m2+m3+m4=2+0.06+0.19+0.5=2.75Kg，选型时要考虑一定的裕量，按m=3Kg，L=320mm选型，又已知机械手的升降速度为100mm/S。依据图3-7，选择的气缸型号为MGF631

52、00。 图3-7导台式气缸MGF系列选型依据图3.2.5 滚珠丝杆的选择 因为只计算重力故把气缸当实心，固定杆当固定部分计算。已知机械手气缸型号为MAL20x1OO根据图3-8图3-8可知轴直径R=10mm，H=10mm，铁的密度为7.86g/c m31画受力图;2根据计算公式：N缸=7.86x r 2h=100x1F总=F气缸+F气爪=已知气爪MHZ2-10D重力为0.539NMmax=(FL*L)/8 ;FS=FL/2表31查表31选择45号刚许用应力为255MpaMmax<= wz=(d2/32)*255x106 d=3mm根据综合情况和任务要选择1602进口二手滚珠丝杆/滚珠丝杠

53、总长300mm 有效行程200mm丝杠图如下图39丝杠具体参数根据丝杆直径故选择如下配件选择联轴器选择步进电机步进电机的安装结构 采用侧向与横向机架垂直固定的方法安装，横向机架中间为丝杠轴，步进电机与丝杠轴的连接采用联轴器连接。固定安装步进电机四个没螺钉要保证与丝杠轴中心一致，这是安装的关键。 步进电机包括：定子、可旋转地插入到定子的内侧的转子、分别紧固在定子的两端的底板和安装板、轴承紧固在安装板上的架和设置在转子的旋转轴上的丝杠。定子准备了两组，每一组包括内轭、外轭及其间设置的绕组，将其紧固为使内轭的各基部相接合。内轭和外轭接合为使内轭的基部与外轭的外周部的端部接触，并且使基部的外周边部在外

54、轭的外周面附近露出。 机械本体结构设计2.1 丝杠导程已知机械手移动步距 s = 10 (um) s = L $ $为步距角, L为导程; 查资料知： 42BYG006型号 的步进电机（八拍）步距角为0.90 则丝杠导程： L = 10 mm2.2 丝杠的支承机构为提高传动刚度，选择合理的支承结构并正确安装很重要，对传动精度有很大影响。丝杠主要承受轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重，因此，丝杠的轴向精度和刚度要求较高。丝杠的支承结构有以下几种：（1）       F0支承结构：一端固定（F），一端自由（0），如下图所示： F0结构

55、的特点是结构简单，承载能力小，轴向刚度低，压杆稳定性较差和临界转速低，设计时应尽量使丝杠受拉伸。适用于短丝杠，垂直丝杠。（2） FS支承结构：一端固定（F），一端浮动（S），如下图所示： FS结构的特点是轴向刚度和F0相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的F0高，丝杠有热膨胀的余地，需要保证螺母与两支承同轴，结构较复杂，工艺较困难。适用于较长丝杠或卧式丝杠。（3）FF支承结构：两端固定，结构如下图所示： FF结构的特点是丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，压杆稳定性好，固有频率比一端固定的高，可施加预紧力提高传动刚度，结构和工艺都较复杂。适用于长丝杠以及对刚度和位移精度要求高的场合。由于该系统是半闭环系统，精度本来就不是很高，故采用一端固定，一端浮动的支承结构，该结构让丝杠有膨胀的余地，适用与较长的丝杠中，游动支承采用深沟球轴承，固定支承结构有下表1列的几种：表1 丝杠支承滚动轴承特点比较滚动轴承类型轴向刚度轴承安装预紧调整摩擦力矩60度接触角推力轴承大简单不需要小双向推力角接触轴承中简单不需要小圆锥滚子轴承小简单若内圈之间有隔圈则不需要调整大滚针和推力滚子组合特大简单不需要特大深沟球轴承和推力球轴承组合使用大复杂麻烦小综上所述，选用60度接触推力角接