毕业设计(论文)-自动控制机械手结构设计

第一章绪论1.1机械手的发展工业机械手是近几十年来发展起来的一种高科技自动化生产设备，是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是机器人的一个重要分支。它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机械手在工业领域应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。其工作并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。而在传统的人工取物的过程中，因为长时间单一操作易产生疲劳及消极情绪，而且人无法长时间工作，但这些问题工业机械手却可以解决。本设计中，连接块与手臂采用螺纹连接，并且螺纹杆与连接块独立开来，不仅解决了抓取物体时的前进精度问题，同时保证了手臂的回转动作。1.2机械手的分类工业机械手的种类繁多，在国内暂无明确系统分类，一般情况下可以通过下面三种方式进行区分。1.从用途上面可分为两类专用机械手：是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。通用机械手：它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种.简易型以“开一关”式控制定位可以实现连续轨控制，伺服型通用机械手属于数控类型。2.按驱动方式可分为四类液压传动机械手：液压驱动系统运动平稳，且负载能力强，对于重载的搬运和零件加工机械人，采用液压驱动比较合理。但液压驱动存在管道复杂，清洁困难的缺点，因此，它在装配作业中的应用受到限制。气压传动机械手：气压驱动机械手结构简单、动作迅速、价格低廉，但由于空气具有可压缩性，其工作速度稳定性较差，但是也由于空气的可压缩性，可使得手爪（末端操作器）在抓取物体或将其卡紧时的顺应性提高，防止了受力过大而造成被抓物体或手爪本身的损坏。气压系统的压力一般为0.7MPa，因此抓取力小。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。电力传动机械手：电气驱动系统是工业机械手中应用的最普遍的，一般可分为步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机三种。早期一般采用步进电动机驱动，后来发展成直流伺服电动机，而现在交流伺服电动机也开始广泛应用。3.按机械手的应用领域分为三大类产业用机械手：按照服务产业种类的不同，产业用机械手可分为工业机械手、农业机械手、和医疗机械手等。而本设计主要研究对象是工业机械手，工业机械手按照用途分：搬运机械手、焊接机械手、装配机械手、检测机械手等。极限作业机械手：此类机械手是指应用于人们难以进入的极限环境，如果核发电站、宇宙空间、海底等特殊环境中工作，完成作业任务的机械手。服务性机械手：是指用于非制造业并服务于人类的各种先进机械手，如医疗公司，餐饮行业等。1.3机械手的组成机械手的组成包括控制系统，驱动系统，执行机构，感知系统，如图1-1所示：控制系统控制系统感知系统执行机构驱动系统图1-1机械手组成框图1.执行机构：手部、手腕、手臂、转台和底座手：既是末端操作器，一般可分为夹持式和吸附式。夹持式一般是指有手爪和传力机构，手爪则与物体直接接触，传力机构通过手爪施加夹紧力来完成夹紧工件的任务，而吸附式通过手指将物件夹正，然后通过手心吸盘将物件吸附。手腕：是连接手部与手臂的机构，可以通过手腕调整手部方位，更方便抓取物品。手臂：起着连接与承受外力的作用，一般可以进行三个动作：旋转，伸缩，升降。通常由驱动部件如油缸、气缸、齿轮、连杆机构与驱动源配置如液压缸、气压缸、伺服电机等组成。转台和底座：两者在机械手中通常起支撑作用，手臂的旋转，升降与底座有很大的关系，底座则主要是支撑作用。2.驱动系统驱动系统主要是指驱动机械系统工作的驱动装置。根据驱动源的不同，驱动系统可分为电气、液压、气动、机械传动四大驱动系统，现在已经出现将四种结合起来应用的综合系统，该部分相当于人的肌肉组织。控制系统控制系统一般分为单片机或者PLC两种控制方式，单片机具有结构简单、实用方便、数据采集能力强，工业控制用途很广泛，但是其抗干扰能力差，而PLC一般是专门用于工程现场的控制，抗干扰能力强，一般工业机械手都是采用PLC作为控制系统。机械手的控制系统一般相当于人的大脑。感知系统感知系统由内部传感器和外部传感器组成，其作用是获取机械手内部和外部环境信息，并把这些信息反馈给控制系统。其中，内部状态传感器用于检测各关节的位置、速度等变量，外部传感器则用于检测机械手与周围环境之间的状态变量如距离、接近程度和接触情况。该部分相当于人的五官。1.4机械手的技术参数参数表是机械手制造时所提供的技术数据。技术参数反映了机械手可胜任的任务、具有的最高操作性能等情况，是选择、设计、引用机械手必须考虑的数据。机械手的参数一般有自由度、精度、重复定位精度、工作范围、承载能力等。通常的机械手在运动和抓取过程中容易产生较大的精度误差，而本设计中对于机械手的手臂设计采用与连接块2螺纹连接产生推动动力的结构，可以将精度偏差有些控制在±0.03mm，螺纹连接产生的无法旋转的问题也可以将螺纹柱与连接块2分开独立来解决。本文的三自由度机械手技术参数如表1-1所示：表1-1机械手的参数表机械手基本参数机械结构垂直多关节型自由度数3定位精度0.03mm本体质量20kg安装方式地面安装抓取物体最大质量2kg最大作业范围S轴（转台回转）100°U轴（手臂前进）400mmB轴（机身俯仰）续表1-1135°续表1-1T轴（手腕回转）360°允许力矩S轴6B轴6T轴3

第二章机械手的设计要求及尺寸计算机械手的要求是精度高，承载大载荷，要求对部件进行精准的尺寸设计，一定的定位精准要求，分析抓取或者搬运时候的受力特性。2.1机械手的抓取手指设计要求及尺寸计算末端操作器是机械手指直接接触物体的机构，本节将对主要受力的手指进行设计并计算尺寸。1.末端操作器手指的设计要求具有一定的开闭范围。（二）具有足够的加持力。（三）保证工件在手指内的夹持精度。（四）结构紧凑，质量小，强度大，选择轻质材料。2.机械手指的设计：而对末端操作器而言，因为抓取物体为450g需保证下断手指的抓取力的最少承受应力为F=4.5N，但是因为每次抓取物体都有其特殊性，故设计时应保证每根手指的最少承受应力为F=4.5N，而由图1-1可知，夹取时物体对手指的反作用力为4.5N，此时选取材料剪应力为。则此时对最下端手指进行抗扭分析如图1-2：F=4.5NF=4.5NABAB图1-2机械手专用手指受力图此时B点弯矩:而手指的抗弯能力为:则手指受力部分中心面的最大正应力为：而公式中：M是横截面上的弯矩；是横截面上距中心轴为y的各点的正应力；y是所求点到中性轴的距离；是横截面对中性轴z的惯性矩；它表示截面的抗弯能力。经验证手指符合抓取物体的应力要求。2.2机械手手臂的设计要求及尺寸计算工业机械手中的手臂承载腕部、工件的静动载荷，需要承受较大的总质量，因此其受力很复杂，运动时产生较大的惯性力矩，引起冲击，容易影响其定位的准确性。因此设计手臂时要尽量采取高强度、硬度的材料。1.机械手手臂的设计要求（一）具有一定的刚度，即抵抗外力作用下永久变形和断裂的能力。（二）设计尺寸精确，保证抓取时的精确度。（三）保证行走时能客服自身的摩擦力矩。（四）结构紧凑，强度大，选择刚性材料。2.机械手手臂的尺寸计算设定机械手伸缩机械前臂主体部分截面长为D=130mm，截面宽d=150mm。设加上前臂的承载手部与工件的质量总和2.45kg，这样前臂所受力为F=24.5N，机械前臂长=700mm，材料剪应力，此时前臂受力如图2-2：F=24.5NF=24.5NAABBL=700mmL=700mm图2-2机械手臂的受力此时机械手的手臂的弯曲变形：轴惯性矩：所受最大正应力：=最后比较，，得出，所以设定值符合。2.3机械手机身的设计要求及尺寸计算机身与臂部相连，机身通过连接块连接手臂。本设计中机身一般用于实现回转和仰俯运动。而机身在运动过程中要克服承载物体对机身的压力以及自身的惯性扭矩，因此同机身一样要采用高强度硬度的材料。1.机械手机身的设计要求（一）机身要具有足够的刚度、强度和稳定性。（二）运动要灵活，用于实现升降运动的轴不宜过长，避免长时间负载之后发生变形影响稳定性。（三）结构布置要合理。（四）结构紧凑，强度大，选择材料为7075镁铝。2.机械手机身的尺寸计算机械手机身在机构中起着支撑手臂及连接转台的作用，对其俯仰精度要求不高，而对其强度要求高，即对抗变形能力要求高。机身受力位于机身与手臂相连的顶部，但是因为机身机构可以看成对称型，其质心位置位于几何图形的几何中心，根据静力学原理可求出手臂的质心位置位于图2-3的A-B段上。对设定的机械机身进行受力简化分析如图2-4：受力分解受力分解BAABBAAB图2-3机械手机身受力图由前文分析得出：因为机身机构可以看成对称型，其质心位置位于几何图形的几何中心。当负载总质量为7.45kg时，机身的受力及力的分解分析如图2-3；所以此时机械手后臂的最大危险截面为中间A-B段，材料的许用切应力为；计算此时上端至A-B段的扭矩：按照强度设计轴的直径d：由公式：将设定数值带入公式得出:。设定后臂危险截面长为52，宽为50故符合要求。2.4机械手转台设计要求及尺寸计算转台在机械手有一个回转的自由度，但是因为要支撑整个机身以上的零件总质量，因为其要在很大的重量压力下完成整个回转动作，而且其受力较为复杂，一般通过电机带动回转，但是过程中容易产生摩擦，因此要对转台与机身相连的接触面进行抛光处理。1.机械手的转台设计要求（一）要求转台转角度为100°（二）具有一定的强度，即转台在受力时抵抗弹性变形的能力。（三）保证行走时能客服对摩擦的。（四）结构紧凑，强度大，选择材料为45钢。设计转台时，因为转台支撑整个机身和手臂，受力最复杂，其主要受力分析简化图如图2-4：图2-4转台的受力图2.转台回转运动力矩的计算：回转运动的驱动力矩只包括两项：回转部件的摩擦总力矩和机身运动部件与其支撑的手臂、手腕、手部及抓取零件的总惯性力矩，驱动力矩可按照下式计算：式中:为总摩擦力矩（）；为回转运运动部件的总惯性力矩（）且：式中：运动过程中的角速度增量（rad/s）；为运动过程总时间（s）；为全部回转零件对转台的转动惯量（）。设定=（运动总时间为5s）；则：因为<6，符合要求。

第三章机械手的零件图纸及装配图3.1机械手腕零件图手腕在夹取物体过程中，因为与其连接的手指经常直接接触物体，导致其易损坏，因此在顶部设计三个螺纹孔，使其与手指通过螺纹连接，这样当手指有损坏，不需要将手腕卸下来，直接换机械手指即可，而手腕与手臂的接触面要采用刨光可以减少摩擦。手腕图纸如图3-1所示：图3-1机械手手腕图纸3.2机械手臂零件图手臂的设计结构设计必须根据机械手的运动形式、抓取动作自由度、运动精度等因素来确定，其受力分析在上一章节中已经详细描述，而手臂在运动过程中相当于一个悬臂梁，如果材料刚度较差会引起弯曲变形以及侧向扭转变形，故一般选用接近圆柱的整体形状增加其抗扭度，精度方面本设计中采用螺纹孔与连接杆项链，这样可以有效的避免精度误差，采用7075镁铝这类高强度、刚度的材料也可以减少手臂运动过程中的受力变形。而为了防止螺纹臂柱出现变形、断裂，本设计中与连接块2连接部分添加一个外套。机械手手臂图纸如图3-2所示：图3-2机械手手臂图纸3.3机械手机身与连接部分零件图1.机械手机身零件图本设计中机械手机身主要作用是起到支撑其他部件，当驱动连接杆带动连接块2运动，从而使机械手产生俯仰，其受力计算同样在上一章节中叙述，本章节将绘制出对机身的具体图纸。机械手机身图纸如图3-3：图3-3机身零件图2.机械手连杆零件图连杆，起着连动机械手的作用，连接块1与机身连杆相连，动过驱动连接块1的下端，驱动连连杆，进而对整个机械手进行驱动，而其中连杆如图3-4所示：图3-4连杆图纸机械手连接块2零件图连接块2与机身、连杆、手臂相连接，起着连动与驱动手臂的作用，通过凸杆上面的螺纹连接进行前进动作，保证了抓取零件时的精准度，而螺纹杆与连接块可分开也可以保证手臂的旋转动作。连接块2零件图如图3-5所示：图3-5连接块2图纸3.4机械手转台及底座图纸1.机械手转台零件图在本设计中，转台支撑机身，并完成回转动作，而其中空部分存放电器元件与导线，机械手中有回转动作的仅有手腕、手臂其转台，转台又因为承载着大部分的电器元件及大部分机构的质量，因此一定要保证转台在运动中的精度，并在下表面与底座的连接的部分采用刨光。转台图纸如图3-6所示：图3-6转台图纸2.机械手底座零件图底座仅与转台相连，设计中需考虑底座的强度以足够支撑整个机构，其图纸如图3-73-7底座图纸3.5机械手装配图机械手的装配图如图所示，其中：零件3臂套与零件2机械手臂采用过盈配合，这样可以既可以使手臂与连接块2中间的相对而言脆弱的连接部分得到保护，又可以不轻易脱落下来。零件1手指与手腕用螺纹连接，这样当搬运不同质量的物件，或者手指有损坏时，可以直接换下来，而不用将整个手部换下来，可以节约大量成本。零件4为连接块2，通过驱动零件5连杆，从而产生俯仰动作，通过螺纹柱与零件2的连接，产生前进后退动作，因为是螺纹连接而不是简单的过盈配合，因此运动时精度更准确。其装配图纸如图3-8：3-8机械手装配图

第四章机械手的三维成型通过前两章的尺寸计算及二维绘图，本章中将利用三维软件Inventor对机械手进行三维成型设计。4.1机械手的手腕三维成型由图3-1二维图纸中的设计尺寸在Inventor中进行三维建模，通过拉伸倒角，内控螺纹处理形成三维模型，其立体图如图4-1所示：图4-1手腕三维立体图4.2机械手手臂三维成型由图3-2二维图纸中手臂的设计尺寸在Inventor中进行三维建模，通过拉伸、锐边倒圆角、做加强筋形成三维模型，其立体图如图4-2所示:图4-2机械手手臂三维立体图4.3机械手的机身三维成型由图3-3二维图纸中机身的设计尺寸在Inventor中进行三维建模，做成成三维模型，其立体图如图4-3所示:图4-3机械手机身三维立体图4.4机械手的连杆三维成型由图3-4二维图纸中连杆的设计尺寸在Inventor中进行放样扫略，通过拉伸形成三维模型，其立体图如图4-4所示：图4-4机械手连杆三维立体图4.5机械手的连接块三维成型由图3-5二维图纸中的设计尺寸在Inventor中创建草图、拉伸草图、形成螺纹、形成三维模型，其立体图如图4-5所示：图4-5连接块三维立体图4.6机械手的转台三维成型由图3-6二维图纸中的设计尺寸在Inventor中创建草图、拉伸草图、形成三维模型，其立体图如图4-6所示：图4-6转台三维立体图4.7机械手的整体三维成型运用Inventor的装配模块，对所有的三维成型机构进行装配。由机械手的装配图3-8所示位置进行装配，机械手的三维立体图如图4-6所示：图4-7机械手的三维立体图第五章结束语本设计中首先介绍了机械手的分类组成，描述了机械手对现在基础工业的影响，然后根据设定要求，对部件受力分析完成了对机械手的尺寸计算，进而选择合理的部件尺寸，然后根据尺寸绘制二维图纸，并根据二维图纸内容，利用三维软件对机械手各零件进行三维建模，然后装配形成机械手实体模型，设计中主要解决了通用机械手在抓取物体时的精度问题，并通过将连接块与螺纹杆分开的方式，保证精度的同时，也保证了手臂的回转动作，但是本设计在设计机身时，因为通过连接杆连动，虽然可以做俯仰动作但是机械手机身升降问题有缺陷，经过查阅相关资料发现可以在机身内部中心暗转驱动轴，来解决机身升降问题。

参考文献[l]史新民、高飞.常用机构与零件设计[M].清华大学出版.2009年.[2]张柱香.机电类专业毕业设计指南[M].北京机械工业出版社2009年.[3]韩建海.工业机械人[M].华中科技大学出版社,2007年.[4]史新民、刘进球.机械设计基础[M].东南大学出版社.2006年.[5]庄乾飞、陈道斌.AutodeskInventor机械设计教程.机械工业出版社.2013年.

答谢辞在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，经过指导老师的精心指导，使得本设计得以顺利完成，老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，在设计中不仅巩固了专业知识，也领悟到老师那种对学术的精益求精的精神。老师对本设计的构思、框架和理论运用给予了许多深入的指导，使得设计得以顺利完成，感谢老师的指导。通过这次毕业设计，大大的提高了我们的自主学习和认真思考的能力，对学术态度的严谨性也有了很高的认识。我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。

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