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摘 要
到了越來越快的發(fā)展，其智能化程度越來越高，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造、醫(yī)療和軍事等各個領(lǐng)域，成為當(dāng)前生產(chǎn)和高科技研究中的一個極其重要的構(gòu)成部分。機器人上最為關(guān)鍵的執(zhí)行部件就是機械臂，因此深入的研究機械臂有著非凡的現(xiàn)實意義。由于機械臂所對應(yīng)的自由度不止一個，可用于在工業(yè)生產(chǎn)中完成各種工作。其能夠替代人類從事各種重復(fù)、單調(diào)、繁重以及具備一定危險系數(shù)的作業(yè)，減輕工人的工作強度，提升工作效率和自動化水平。
本設(shè)計采用圓柱形坐標(biāo)形式，機械手的旋轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，雙作用氣缸的運動增添輔助導(dǎo)向裝置，增添了腰部所對應(yīng)的導(dǎo)向性能以及剛性強度，腕部采用旋轉(zhuǎn)型式的氣缸以實現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)運動。一端增加平衡裝置使整體運動平穩(wěn)。末端執(zhí)行器的驅(qū)動型式采用形狀記憶合金，其具備相對較輕的質(zhì)量、相對較小的占地體積、單位質(zhì)量具備較大的恢復(fù)力，且整體結(jié)構(gòu)相對較為簡單、控制方便易操作，無污染。論文按照手爪、手臂、腕部，底座進行設(shè)計。涉及氣動技術(shù)、理論力學(xué)、機械原理以及相關(guān)零件的機械設(shè)計等。機械手能實現(xiàn)整體旋轉(zhuǎn)，腰部、臂部伸縮，腕部旋轉(zhuǎn)及擺動五個自由度，在導(dǎo)師的耐心詳盡的指導(dǎo)下，通過查閱文獻，書籍，經(jīng)過努力最終完成。
關(guān)鍵詞：裝配機械手；工業(yè)領(lǐng)域；氣缸
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Abstract
With the rapid development of computer technology and automatic control technology,the development of robot technology is becoming faster and faster,and its intelligent level is becoming higher and higher. Robot has been used in industrial manufacturing, medical, military and other fields. It has become an integral part of modern manufacturing and high-tech research.As a main executive body of a robot , the study of robot arm has important meaning.With multiple degrees of freedom,robot arm can be used to make all kinds of work in industrial production.It can replace people engaged in all kinds of boring, repetitive, heavy or dangerous work, reduce labor intensity, improve production efficiency and automation level.
At one end of the design, the balancing device is added to make the whole movement stable. End actuator drive type using shape memory alloy (SMA), with its relatively light weight, relatively smaller accommodation volume, with greater resilience and overall structure is relatively simple, control convenient and easy operation and no pollution. According to the gripper arm, wrist, base design. Pneumatic technology, theoretical mechanics, mechanical principles and related parts of the mechanical design, etc.. Manipulator can achieve the overall rotation, waist, arm telescopic, wrist rotation and the swing of five degrees of freedom, under the guidance of the tutor's patience detailed, through the review of the literature, books, through the efforts finally completed.
Key word：Manipulator； industrial field,；cylinder
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
1 緒 論 1
1.1國外工業(yè)機器人的的發(fā)展 2
1.2國內(nèi)機器人的發(fā)展 3
1.3存在問題分析及研究思路 4
1.4課題研究的意義 4
1.5本課題研究內(nèi)容 5
2 微型裝配機械手的總體設(shè)計方案 6
2.1 微型裝配機械手的工作原理及系統(tǒng)組成 6
2.2 微型裝配機械手基本形式的設(shè)計 8
2.3 驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計 9
2.4 微型裝配機械手詳細設(shè)計參數(shù) 10
2.5 本章小結(jié) 10
3 微型裝配機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 11
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.1.1 端執(zhí)行器的要求 11
3.2手爪的分類和設(shè)計 11
3.3微型裝配機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
3.3.1微型裝配機械手的結(jié)構(gòu) 14
3.3.2形狀記憶合金的驅(qū)動特性 14
3.4本章小結(jié) 15
4 微型裝配機械手腕部的設(shè)計 16
4.1腕部設(shè)計的基本要求 16
4.2 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) 16
4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計 17
4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算 17
4.4 腕部工作壓力的計算 18
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?19
4.6 動片和輸出軸間的連接螺釘 20
4.7擺動手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 21
4.8本章小結(jié) 22
5 微型裝配機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計 23
5.1 手臂的設(shè)計要求 23
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計 23
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定 23
5.3 導(dǎo)向裝置 27
5.4 本章小結(jié) 27
6 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算 28
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 28
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設(shè)計 28
6.2.1雙作用氣缸結(jié)構(gòu) 28
6.2.2 確定主要尺寸 29
6.2.3 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計 32
6.3 導(dǎo)向裝置 32
6.4 平衡裝置 33
6.5 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的計算 33
6.5.1電機的選型 34
6.6 本章小結(jié) 34
7 結(jié)論與展望 35
7.1結(jié)論 35
7.2展望 35
參考文獻 36
致 謝 37
III
第1章 緒論
1 緒 論
引 言
向上看的話包括太空船、航天飛行器，向下看的話包括微型機器人、航海發(fā)展，有關(guān)機器人的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)運用于世界經(jīng)濟發(fā)展的眾多方面，正在逐漸發(fā)展為現(xiàn)代高科技所必備的部分之一。
機械手臂又被叫做自動手臂，能仿照人的手和臂膀做出一些動作，完成一定的功能，人力物力從而能實現(xiàn)生產(chǎn)機械自動化，能保護人身的安全避免惡劣環(huán)境對人造成傷害，因此可以普遍應(yīng)用在相關(guān)設(shè)計制造、冶煉金屬、輕工業(yè)以及電子部件領(lǐng)域。
機械手臂在整體上主要是由運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)以及手部機構(gòu)所組成。手部機構(gòu)對應(yīng)的運動機構(gòu)指的就是能夠驅(qū)動機械手部進行旋轉(zhuǎn)運動、各方向移動以及復(fù)雜的動作從而來實現(xiàn)所要求能夠?qū)崿F(xiàn)的一些功能，被放持物體所在位置以及相應(yīng)的活動狀態(tài)能夠通過其產(chǎn)單獨的運動形式。想要實現(xiàn)物體的抓取操作并能夠使其在各個方向上可以自由移動，其對應(yīng)的自由度大小應(yīng)該等于6。機械手最關(guān)鍵的參數(shù)就是其所對應(yīng)的自由度值。機械手的靈活程度與自由度的大小成正比，實際的應(yīng)用范圍也和自由度的大小成正相關(guān)，對應(yīng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)亦會相對更加復(fù)雜。
按照不同的驅(qū)動型式進行區(qū)分，能夠?qū)C械手歸納為機械、液壓、氣動以及電力驅(qū)動這幾種主要的型式；按照實際使用范圍的差異，能夠?qū)C械手歸納為通用以及專用這兩種主要的型式；按照所行走的軌跡所需要的控制方法又可以歸納為連續(xù)型軌跡以及點位控制這兩種主要的型式。
機床或一些機器所使用的附加裝置一般都是由機械手來完成的，比如在自動機床或生完成的。機械手能夠改善冷熱、疲勞等一些勞動所需要的條件，因此在鍛造生產(chǎn)工業(yè)中也能起到非常重要的作用。
1.1國外工業(yè)機器人的的發(fā)展
現(xiàn)代機械人的起源地在美國，1961年由美國Consolided Control Corp公司以及AMF一同設(shè)計出了全世界首臺用于示教再現(xiàn)功用的機器人。通過半個世紀(jì)的持續(xù)研究，美國在臺機器人，1976年開始伴隨微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及不斷增大的市場需要，相比人類而言勞動效率極高的機器人在工業(yè)制造生產(chǎn)方面獲得了較為廣泛的使用，現(xiàn)如今日本機器人的擁有量穩(wěn)居全球首位，被人們譽為機器人的王國。相比于歐洲的瑞典以及英國而言，機器人進口到德國的時間足足推遲了近十年，但是因為兩次世界大戰(zhàn)所致使的勞動人口缺失以及擁有相對于其他國家更高的科學(xué)技術(shù)能力，使得機器人的發(fā)展和推廣歷程一帆風(fēng)順。根據(jù)德國的相關(guān)法規(guī)要求，對于那些可能接觸到毒害物質(zhì)以及其他危險情況的職位務(wù)必要使用機器人，其在一定程度上進一步促進了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及相關(guān)的技術(shù)研究。?
圖1.1美國Unimate機器人
在對于機器人的研究方面法國也尤為重視，依靠對相關(guān)研究的鼓勵和扶持，從而逐漸創(chuàng)造了其所特有的科學(xué)研究體系，極大程度上促進了機器人的研究和發(fā)展。由于政府在此過程中的作用使得機器人在法國獲得了廣泛的使用和發(fā)展，在世界機器人領(lǐng)域占有一定的地位。
<2
圖1.2 美國Versatran機器人
在觀念上的錯誤認識阻礙了機器人的發(fā)展，目前正在奮起直追的道路上。
1.2國內(nèi)機器人的發(fā)展
年代由于全球科學(xué)技術(shù)的迅猛進步，使得工業(yè)用途的機器人得到了極大的發(fā)展，基本此種社會發(fā)展大背景，從1972年左右開始我國嘗試研究和制造工業(yè)用途的機器人。伴隨著80年代的國家改革開放政策的逐漸落實，用于工業(yè)制造的機器人研究得到了政府的鼓勵和大力支持。進入90年代以后我國用于工業(yè)制造用途的機器人得到了迅猛的發(fā)展，并初步產(chǎn)生了相應(yīng)的集生產(chǎn)制造、技術(shù)研發(fā)以及維修保養(yǎng)為一體的基地，在一定程度上奠定了機器人相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。但是與發(fā)達國家相比。
圖1.3 北京自動化研究所高壓水切割機器人
目前用于工業(yè)用途的機械手基本都是第一代的產(chǎn)品，對應(yīng)的控制方式仍然通過手動進行操作，未來研究的方向集中在如何提升作業(yè)精度以及如何減少制造成本。基于第一代產(chǎn)品之上的第二代、第三代產(chǎn)品正處于研究狀態(tài)，其需要具備觸覺感知能力、視覺觀察能力甚至像人類那些會思考的能力。
1.3存在問題分析及研究思路
勞動力成本的提高促使工業(yè)機器人不斷進入企業(yè)，某些危險繁重單調(diào)重復(fù)勞動的場合，目前工業(yè)機器人精度不高、穩(wěn)定性、壽命都不高，機械手的體型大難以完成微小工件的夾取和裝配，大型機械手對工件的力作用大容易使工件損壞，因為現(xiàn)在的微夾鉗通常是以硅為主要材料進行制造的，但是在實際的運轉(zhuǎn)過程中由硅制造的部件之間會產(chǎn)生相對比較嚴(yán)重的摩擦損耗現(xiàn)象，為此必須定期的對其進行更換。
本文在立足于實際需求的基礎(chǔ)上，采用電動及氣動兩種驅(qū)動方式，雙作用氣缸安裝導(dǎo)向裝置，使氣缸運行平穩(wěn)。微型裝配機械手的一端安裝有用于保持平衡的裝置，避免產(chǎn)生傾覆的不良故障。微型裝配機械手采用記憶合金絲驅(qū)動，微型裝配機械手的材料為彈簧鋼。微型裝配機械手末端安裝位移傳感器及力傳感器，及時檢測夾取的狀態(tài)，安裝攝像頭及時捕捉機械手的工作狀態(tài)以便及時采取應(yīng)對措施。
1.4課題研究的意義
猛的發(fā)展的原因在于其可以替代人類去完成部分艱難的任務(wù)，一定程度上提升生產(chǎn)制造的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，與此同時完全依據(jù)制造生產(chǎn)的需要并嚴(yán)格遵守相應(yīng)的要求來實現(xiàn)部件的傳輸、安裝以及拆卸。
以至于最終達到擁有較大自動化程度以及生產(chǎn)制造機械化程度的目的。
1.5本課題研究內(nèi)容
設(shè)計以及相應(yīng)的機器人技術(shù)。
（2）機械手臂的機械結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計
具體包含底座部分、肩關(guān)節(jié)部分、大小臂部分以及機械手部分所對應(yīng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計選用并且畫出機械手的總裝圖和各部件的零件圖。
第2章 微型裝配機械手的總體設(shè)計方案
2 微型裝配機械手的總體設(shè)計方案
數(shù)進行說明。
2.1 微型裝配機械手的工作原理及系統(tǒng)組成
統(tǒng)、用于實現(xiàn)執(zhí)行的結(jié)構(gòu)和用于檢測實際位置的相關(guān)設(shè)備。在相關(guān)程序?qū)ζ溥M行控制的大前提下，選擇電力傳動以及氣壓傳動的方法，以使得相應(yīng)的執(zhí)行部件可以完成相應(yīng)的作動。對應(yīng)的幾個主要系統(tǒng)之間存在的聯(lián)系如下：
圖2.1機械手系統(tǒng)關(guān)系圖
（1）執(zhí)行機構(gòu)
主要的構(gòu)成部件有立柱、手臂、手腕以及手部，通常情況下還會增加有用于實現(xiàn)行走功用的機構(gòu)。
a.手部
式以及夾持式這兩種主要結(jié)構(gòu)。采用夾持式型式的手部主要由相應(yīng)的傳力機構(gòu)以及手指組成。所謂的手指就是接觸物體的對應(yīng)構(gòu)件，一般情況下手指的活動型式可以歸納為平移型以及回轉(zhuǎn)型這兩種主要的型式?；剞D(zhuǎn)型活動型式的手指整體結(jié)構(gòu)相對比較簡單，實際制造生產(chǎn)難度也較低，所以得到了相對較為普遍的使用。而平移型活動型式的手指在實際的應(yīng)用要少得多，主要原因就在于其所對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，比較適用用于夾持那些直徑
抓取的位置以及被抓物體的質(zhì)量、尺寸大小等因素所決定。相應(yīng)的傳力機構(gòu)借助于手指所產(chǎn)生的夾緊力作用來實現(xiàn)物體的夾起和放下。
b.手臂
被抓取物體以及手腕、手部的支承都是借助于手臂來實現(xiàn)的。手臂的主要功能就是作動手指部分使其可以抓取相應(yīng)的物體，同時能夠按照相關(guān)指示把該物體移動至相應(yīng)的位置。用于工業(yè)用途的機械手所對應(yīng)的手臂部分一般情況下都是由驅(qū)動源以及相應(yīng)的部件之
c.立柱
橫向進行移動，就是所謂的可移式立柱。
d.機座
通常情況下機座上都安裝有機械手的驅(qū)動系統(tǒng)以及執(zhí)行機構(gòu)所對應(yīng)的各個部件，起到聯(lián)結(jié)各部件以及支撐整體結(jié)構(gòu)的功用。
及液壓傳動這四種。
（3）控制系統(tǒng)
現(xiàn)代用于工業(yè)用途的機械手上對應(yīng)的控制系統(tǒng)主要由電氣定位以及程序控制系統(tǒng)所構(gòu)成。本論文所涉及的機械手控制系統(tǒng)型式選用的是基于PLC程序的，其能夠指示機械手按照程序所接收的指令進行運動，在需要的時候能夠監(jiān)視機械手的作動情況，當(dāng)察覺到相應(yīng)的作動出現(xiàn)故障或者產(chǎn)生錯誤的時候?qū)⒆詣訄缶嵝选?
的控制系統(tǒng)和程序所規(guī)定的預(yù)定位置做對比，最后依靠相應(yīng)的控制系統(tǒng)對其位置作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，以確保能夠到達程序所預(yù)定的地方。
2.2 微型裝配機械手基本形式的設(shè)計
用于工業(yè)用途的機械手按照坐標(biāo)型式的不同一般可以歸納為以下4種。其中圓柱坐標(biāo)型機械手整體結(jié)構(gòu)相對比較簡單，整體尺寸相對緊湊,擁有相對較高的定位準(zhǔn)確度,整體機構(gòu)所占面積相對較小。因此，本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。
圖2.2直角坐標(biāo)型機器人 圖2.3圓柱坐標(biāo)型機器人
圖2.4級坐標(biāo)型機器人 圖2.5多關(guān)節(jié)型機器人
2.3 驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計
力源進行區(qū)分的話，其所對應(yīng)的驅(qū)動方式共有三種方式：氣動、液壓以及電力驅(qū)動。
（1）氣動方式：
驅(qū)動方式為氣動驅(qū)動的機械臂一般情況下都是由空壓機、氣罐、氣閥以及氣缸構(gòu)成，主要的優(yōu)點在于實際工作時反應(yīng)快速、整體結(jié)構(gòu)相對比較簡單、實際制造成本相對較低、后期維護修理較為簡便等。但是缺點是很難對其速度進行相應(yīng)的控制把握，氣缸的氣壓值也不可以過大，所以實際抓取的效果相對較差，定位精度較差。
（2）電驅(qū)動方式：
齒輪以及螺旋傳動等。
（3）機械傳動：
在機械工程當(dāng)中機械傳動的應(yīng)用范圍較為普遍，它所對應(yīng)的運動以及動力都是通過相應(yīng)的機械方式進行傳輸?shù)?，運動以及動力的傳輸能夠借助部件間所互相作用的摩擦力矩來臂的伸縮移動主要是通過雙作用氣缸驅(qū)動來完成的；手腕用旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，
直流電機實現(xiàn)擺動，底座旋轉(zhuǎn)使用步進電機帶動軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。
2.4 微型裝配機械手詳細設(shè)計參數(shù)
2.5 本章小結(jié)
機械手的坐標(biāo)型式選擇為圓柱型式，驅(qū)動方式采用電動及氣動兩種方式。
第3章 微型裝配機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
3 微型裝配機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
引 言
本章主要對微型裝配機械手的手部機構(gòu)進行設(shè)計，通過對比各種微型機械手的驅(qū)動方式，決定采用形狀記憶合金絲作為驅(qū)動的媒介。結(jié)構(gòu)簡單、靈活多變、成本低。
3.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
所組成。本論文采用記憶合金對應(yīng)的形狀變化功能帶動手部夾取。
3.1.1 端執(zhí)行器的要求
持力以及相應(yīng)的位置準(zhǔn)確度。
（2）應(yīng)該確保末端執(zhí)行器所對應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)相對較為簡單，整體結(jié)構(gòu)尺寸相對較為緊湊、整體質(zhì)量相對較小，從而使得最大程度上降低機械手臂所承受的載荷。
3.2手爪的分類和設(shè)計
（1）電磁力驅(qū)動微型夾鉗
1
<2
圖3.1 電磁驅(qū)動微夾鉗
（2）吸附式微型夾鉗
a.真空吸附式微型夾鉗
通過真空發(fā)生器所生成的真空負壓來完成對相應(yīng)微型部件的拾取，釋放則通過控制吸管內(nèi)部的正壓來實現(xiàn)?，F(xiàn)在其主要應(yīng)用在那些需要對易碎物件進行拾取的場合,但是對所拾取
（3）電力吸附性微夾鉗
圖3.2 水下冰凍微夾鉗
13
<2
圖3.3 帶有壓電驅(qū)動的微型夾鉗照片
（4）機械式微型夾鉗
圖3.4 形狀記憶微夾鉗
（5）靜電力驅(qū)動微型夾鉗
圖3.5所示的夾持器整體結(jié)構(gòu)主要是多晶硅，其所對應(yīng)的厚度大小等于2um，長度的
17
<2
圖3.5 靜電力驅(qū)動微夾鉗
3.3微型裝配機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.3.1微型裝配機械手的結(jié)構(gòu)
依靠形狀記憶合金材料實現(xiàn)驅(qū)動功用的微型機械手整體結(jié)構(gòu)示意圖3.1如下。機械手的驅(qū)動是通過兩根相互連接的形狀記憶合金絲來實現(xiàn)的，合金絲在接線柱通有電流的情況下會產(chǎn)生電流，此時合金絲溫度上升并產(chǎn)生收縮變短的現(xiàn)象，進而帶動基體形狀記憶合金頂端部向下移動。當(dāng)斷電的時候?qū)⒂捎趶椥缘淖饔檬沟脙蓚€手指之間相互張開，由于手指以及基體的制作材料都是彈簧鋼，使兩個手指能夠?qū)崿F(xiàn)合攏以夾持物體。
圖3.1 微型裝配機械手手部結(jié)構(gòu)圖
3.3.2形狀記憶合金的驅(qū)動特性
使用形狀記憶合金材料來實現(xiàn)對機械手的驅(qū)動,具有整體體積相對較小、整體質(zhì)量相對較輕、單位質(zhì)量對應(yīng)的恢復(fù)力相對較大等優(yōu)點，同時整體結(jié)構(gòu)相對較為簡單、實際工作時也比較容易控制把握。相比于其他的驅(qū)動型式，具備相對較快的執(zhí)行速度、相對較大的變形以及相對較大的拉伸強度等優(yōu)勢。
表3.2 各種驅(qū)動方式比較
執(zhí)行器
能量密度
（J/cm3）
最大變形率（%）
最大力密度（MPa）
執(zhí)行時間
（s）
動力源
氣動
0.2
—
0.8
壓縮空氣
壓電晶體
0.2
30
電壓
靜電
0.4
—
0.1
電流
形狀記憶
10.4
3
150
0.1-1
電流
根據(jù)上述圖表不難得出TiNi合金材料對應(yīng)有最大的拉伸強度,實際工作時的使用壽命、變形率以及在發(fā)生熱變形時所允許的許用應(yīng)力值也最大，本設(shè)計的機械手所對應(yīng)的驅(qū)動材料選擇直徑等于0.5mm的TiNi合金絲。
表3.3常用的形狀記憶合金性能比較
TiNi
CuZnAl
CuAlNi
電導(dǎo)率（S/m）
1-1.5
8-13
7-9
最高接通溫度（℃）
120
120
170
抗拉強度（N/mm2)
1500
400-700
700-800
最大變形率（%）
5
1
1.2
可過熱度（℃）
400
160
300
最多循環(huán)次數(shù)
100000
100000
1000
3.4本章小結(jié)
狀記憶合金絲的原因。并對其夾緊力進行介紹。
第4章 微型裝配機械手腕部的設(shè)計
4 微型裝配機械手腕部的設(shè)計
引 言
4.1腕部設(shè)計的基本要求
(1)力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
部來負荷。因此臀部整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、實際工作時的作動性能及整體質(zhì)量受腕部所對應(yīng)
(2)結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
用，不僅需要確保對于運動以及力的相關(guān)需要，還要具備一定大小的剛度和強度，除此之
(3) 必須考慮工作條件
4.2 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)
度。
4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.3 腕部的驅(qū)動力矩計算
：啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。
手腕回轉(zhuǎn)時對應(yīng)的總阻力矩是上述阻力大小的和值，即：
（4.4）
設(shè)夾取工件長度15mm，長度18mm，重量50g，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時，將手爪、回轉(zhuǎn)氣壓缸等效為一個圓柱體，長為200mm，半徑為40mm，其重力G，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度 (4.5）
因為工件夾持在手抓中間位置，所以工件的重心位置與手腕的回轉(zhuǎn)軸線之間垂直的距離為0，=0
（4.6）
查取轉(zhuǎn)動慣量公式有：
代入：
4.4 腕部工作壓力的計算
設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4.1設(shè)缸體對應(yīng)的內(nèi)半徑R=26mm，考慮到實際裝配問題后，缸體的外徑取100mm；動片寬度b=30mm，輸出軸r=12mm。
表4.1 氣壓缸的內(nèi)徑系列 （mm）
25
32
40
55
63
65
75
80
85
95
100
105
125
130
140
180
200
250
由于實際氣壓缸產(chǎn)生的驅(qū)動力矩要比總的阻力矩值大，所以回轉(zhuǎn)缸所對應(yīng)的工作壓力， P=0.5Mpa。
4.5 氣壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
圖4.1 缸蓋螺釘間距示意圖
缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖4.1所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關(guān)，查得：其中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力
（4.7）
為工作載荷；
為預(yù)緊力。
， Z=4 。
（4.8）
（ ）
螺釘材料為Q235，（）
=0.0023m （4.9）
d=6mm。
4.6 動片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸間的連接螺釘,連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。
（4.10）
（4.11）
強度條件：
（4.12）
帶入得：
<20
（）
選擇d=4mm，選擇M4的開槽盤頭螺釘。
4.7擺動手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
機械臂工作時，越往后面的關(guān)節(jié)所承受的轉(zhuǎn)矩越小，但是后面關(guān)節(jié)質(zhì)量的增加對前面關(guān)節(jié)扭矩增加的影響卻更為明顯。因此在設(shè)計小臂時要在符合工作強度的條件下盡可能的降低其質(zhì)量。
機械臂小臂部分運動較多，所以合理的結(jié)構(gòu)布置對機械臂的性能有至關(guān)重要的影響。機械臂在運動的時候，小臂所受的力也是由兩部分構(gòu)成，第一部分是機械臂的自身載荷對小臂的作用力,第二部分是機械臂運動時所產(chǎn)生的慣性力對小臂的作用力。小臂的整體結(jié)選用截面形狀相對較小、具備較高強度以及較輕材質(zhì)的制造材料，減輕自重；減小驅(qū)動裝置所承受的負重，提升手臂實際運轉(zhuǎn)時所對應(yīng)的響應(yīng)速度；提高運動的準(zhǔn)確性和運動剛度。
擺動臂機械手電機選用維科特SST43D204X混合式步進電機，對應(yīng)參數(shù)有：步距角1.8°，兩相；保持轉(zhuǎn)矩0.42 N·m； 額定電流0.57A； 尺寸40x42x42mm(長×寬×高)，重量0.29 kg。
<21
4.8本章小結(jié)
本章對機械手腕部的結(jié)構(gòu)進行了選擇，并且計算了機械手手腕的工作壓力，確定了氣壓缸蓋螺釘?shù)臄?shù)量為4個。
36
<2
第5章 微型裝配機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計
5 微型裝配機械手手臂機構(gòu)的設(shè)計
引 言
本章主要對裝配機械手的臂部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，采用雙作用氣缸進行伸縮，并采用平衡裝置使氣缸運行平穩(wěn)。
5.1 手臂的設(shè)計要求
機械手手臂要符合負載大，自身較輕，來降低負載。并且這樣運動速度較高，運動慣性較小。機械手的手臂活動要靈活，這樣才能滿足工作要求。要保證工作質(zhì)量，所以位置精度要高。
5.2 伸縮氣壓缸的設(shè)計
5.2.1 氣缸主要尺寸的確定
（1）氣缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定
工作的頻率也相對較低，此時對應(yīng)的載荷率有。得 。（2）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計
缸筒直接承受由壓縮空氣所施加的壓力，所以務(wù)必要保證具備一定大小的厚度。通常情況下氣缸的缸筒壁厚和其內(nèi)徑的比值不大于1/10，對應(yīng)的壁厚有:
伸縮氣缸缸筒材料為:鋁合金ZL1060, []=3MPa
代入
得
取， 。
（3）手部活塞桿行程長確定
按設(shè)計要求，X軸小臂伸縮距離為10cm，即100mm。為避免缸壁和活塞之間產(chǎn)生碰撞不良，故活塞行程需要留有一定的余量。
故行程查有關(guān)手冊圓整為。
（4）活塞桿穩(wěn)定性的計算：
當(dāng)活塞桿長度的時候，通常情況下都是根據(jù)壓桿穩(wěn)定性來對活塞桿的直徑大小進行計算。
當(dāng)氣缸所承受的軸向負載達到極限值的時候，任意大小的外力干擾作用都可能導(dǎo)致活塞桿產(chǎn)生彎曲不良從而產(chǎn)生不穩(wěn)定，最終致使氣缸不可以實現(xiàn)正常的運轉(zhuǎn)。
活塞桿穩(wěn)定性條件是：
（5.3）
<2
<25
第6章 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
<2
5.3 導(dǎo)向裝置
氣壓驅(qū)動型式的機械手臂在手臂整體機構(gòu)的設(shè)計過程中選擇導(dǎo)向裝置。通常情況下是按照整體的結(jié)構(gòu)以及所抓取物件的質(zhì)量來對實際安裝的型式進行選擇，在整體結(jié)構(gòu)的布局的慣量大小。
本論文所設(shè)計的手臂導(dǎo)向裝置選擇單導(dǎo)向桿，用以改善手臂所對應(yīng)的導(dǎo)向性能以及剛性強度。
5.4 本章小結(jié)
27
<
6 機械手腰部和基座結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算
引 言
本章主要對裝配機械手基座進行設(shè)計，采用伺服電機進行360°旋轉(zhuǎn)，同時腰部仍然用雙作用氣缸進行伸縮，并設(shè)計了平衡裝置。
6.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖6.1 橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.2 控制手臂上下移動的腰部氣缸的設(shè)計
6.2.1雙作用氣缸結(jié)構(gòu)
1、缸筒
內(nèi)表面所對應(yīng)的表面粗糙度值必須達到Ra0.8mm。?
2.端蓋：
端蓋上配備有排氣以及進氣的通口。在桿側(cè)端蓋上一般都配備用來避免產(chǎn)生漏氣不良以及阻止灰塵進到氣缸內(nèi)部的防塵圈以及密封圈。在桿側(cè)端蓋上一般都配備有增加氣缸導(dǎo)向準(zhǔn)確性能、負載一定大小橫向荷重以及延長氣缸實際工作壽命的導(dǎo)向套。為了減小端蓋的質(zhì)量以及避免產(chǎn)生銹跡通常選擇鋁合金壓鑄。
28
<
3.活塞
活塞是氣缸中的受壓力零件。為避免活塞的左腔與右腔之間產(chǎn)生竄氣導(dǎo)致不良，一般能，并能夠減少密封圈所產(chǎn)生的摩擦損耗?；钊麑?yīng)的寬度值取決于滑動部分所對應(yīng)的長度以及密封圈所對應(yīng)的尺寸值。如果滑動的長短過短則容易產(chǎn)生卡殼以及摩擦損耗的現(xiàn)象。一般情況下活塞的制造材料都選擇為鑄鐵或者鋁合金。
4.活塞桿
活塞桿一般情況下都是通過使用高碳鋼或者不銹鋼材料以避免產(chǎn)生腐蝕不良，與此同時需要增加密封圈所對應(yīng)的耐磨性能。
5.密封圈
6.2.2 確定主要尺寸
較快的時候取極小值，當(dāng)速度較慢的時候取極大值。如果氣缸的參數(shù)比較普通，實際工作的效率也相對較低，所以載荷率的取值為。得 。
（2）缸筒壁厚和外徑的設(shè)計
缸筒的壁厚大小和內(nèi)徑大小的壁紙不大于1/10，壁厚的大小有：
29
<
——系數(shù)，對鋼??；
31
<
圖6.1 雙作用氣缸
6.2.3 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）缸筒和缸蓋的連接
查閱機械設(shè)計手冊，選擇拉桿式螺栓連接。該結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，易于裝卸。
（2）活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)
活塞桿和活塞之間常用的連接形式分為組合以及整體這兩種主要的結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為錐銷、半環(huán)以及螺紋這三種主要的連接型式。
該氣缸選擇螺紋連接，整體結(jié)構(gòu)相對較為簡單，裝卸便捷，應(yīng)用較多。
（3）密封
氣缸密封性能的優(yōu)劣在很大程度上會對氣缸的使用性能以及工作使用壽命產(chǎn)生影響，因此如何準(zhǔn)確的選擇、設(shè)計以及使用相應(yīng)的密封裝置，對于確保氣缸能夠正常運轉(zhuǎn)至關(guān)重要不可或缺。
采用O型密封圈。實際運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠，對應(yīng)的靜摩擦因素也相對較大，活塞的整體結(jié)構(gòu)較為簡易，因此得到了較為廣泛的普遍使用。
（4）氣缸的安裝連接結(jié)構(gòu)
根據(jù)安裝位置和工作要求不同可有法蘭式、腳架式、支座式、鉸軸式。由于結(jié)構(gòu)需要，該氣缸用法蘭式安裝連接。
6.3 導(dǎo)向裝置
由氣壓驅(qū)動的機械手臂在向上、向下往復(fù)移動的時候，為了避免產(chǎn)生手臂圍繞軸線旋轉(zhuǎn)運動，用來確保手指的指向準(zhǔn)確無誤，同時使得對應(yīng)的活塞桿承受相對較小的彎曲力矩，用來提升手臂對應(yīng)的剛性強度，所以在對手臂整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的時候，一般都需要選擇
導(dǎo)向裝置。實際安裝的具體型式應(yīng)該按照所設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)以及被抓取物件的整體質(zhì)量來決定，除此之外在整體結(jié)構(gòu)的布局以及設(shè)計上需要盡可能的降低運轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量以及降低對回轉(zhuǎn)中心所產(chǎn)生的慣量大小。
本論文中為提升導(dǎo)向性能以及腰部對應(yīng)的剛性強度，故選擇雙導(dǎo)向桿。
圖6.2 導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.4 平衡裝置
6.5 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的計算
對于本設(shè)計機械臂對應(yīng)底座部分的設(shè)計要考慮的內(nèi)容有：首先，要有相對較大的安裝基面，用來確保機械臂在實際工作時能夠具備一定大小的穩(wěn)定性能；其次，由于底座承受機械臂的全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強度、剛度和承載能力；此外，底座軸系和傳動鏈的剛度以及強度對末端執(zhí)行器實際運轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確度影響也相對較大。
圖6.2 基座
因為通常電機對應(yīng)的轉(zhuǎn)速比較高、輸出力矩也相對較小，但是在實際應(yīng)用中一般需要大力矩、低轉(zhuǎn)速的輸入驅(qū)動力。
此外，由于底座需要帶動機械臂其余上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，因此底座的電機功率應(yīng)選的較大，同時保證足夠的轉(zhuǎn)矩。
6.5.1電機的選型
底座和機械手腰部重量為8kg，大臂重量5kg，小臂重量3kg，腕關(guān)節(jié)重量1kg，末端手爪重量為1kg，末端負載為50g。
T1=（8+5+3+1+1+0.6）×9.8×L1=82.94（N·m）
其中L1=450mm,代表的是機械手軸線到機械手軸線之間的長度。
底座電機輸出轉(zhuǎn)矩：T1=6.91（N·m）。
根據(jù)以上的計算進行小型平行四邊形機械臂的電機的選取，本機械臂選取三拓70KTYZ減速同步電機，該電機規(guī)格參數(shù)為：電壓AC220V（50Hz），輸入功率小于20W，額定轉(zhuǎn)速15r/min，輸出扭矩7，重量1.1Kg。應(yīng)此電機的額定功率大小符合工作要求。
6.6 本章小結(jié)
7 結(jié)論與展望
7.1結(jié)論
微小型產(chǎn)品的體積小，形狀復(fù)雜，且容易損壞，但是成本相對較低，所以市場前景不錯。由于體積小，導(dǎo)致微小型產(chǎn)品的組裝要求較為嚴(yán)格，而人工組裝的話，不可控因素較多，其取決于組裝工具的精度等和工人水平。本論文設(shè)計了五自由度裝配機械手，選擇形狀記憶合金絲來實現(xiàn)驅(qū)動夾緊?？梢詫崿F(xiàn)對微小型零件的夾取、搬運以及釋放功能。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，讓我對微型裝配機械手有了新的認識，不但對自己的知識進行了鞏固溫習(xí)，而且讓我們知道了實踐的重要，更重要的是認識到了團隊的力量是無窮的。
7.2展望
1.本論文沒有對應(yīng)力及各個影響因素進行進一步的研究。下一步可通過實驗對各應(yīng)力進行實驗研究。
2.隨著科技的發(fā)達，對零件的需求多樣性，靠這一種夾鉗完成微小型零件的夾取已經(jīng)是不可能的事情。下一步可設(shè)計一種可針對不同零件的多功能型手指。
3.可以優(yōu)化整體裝配的精度和效率，來提高生產(chǎn)量。
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致 謝
大學(xué)四年一眨眼就要過去了，還來不及回想四年里幸福的點點滴滴，就要進入社會，去品嘗酸甜苦辣了。最后的畢業(yè)設(shè)計對我至關(guān)重要，直接影響我能不能畢業(yè)，所以我將盡我所能，認真完成這次任務(wù)。
在此我首先要感謝我的李老師，老師在這短短的時間內(nèi)為我安排畢設(shè)一次又一次的輔導(dǎo)，雖然在此期間有實習(xí)的事情困擾著我，但老師的認真，負責(zé)，細心，成為了我強大的后盾，經(jīng)過我和老師的合作努力，圓滿完成了這次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。在我遇到困難時，不管老師在干嘛，他都會第一時間給我解釋，有時我聽完老師的指導(dǎo)還是不懂，老師會很耐心的再講一遍，二遍，三遍……直到我懂為止！而且老師不僅在畢業(yè)設(shè)計上幫我，在生活中同樣是我的良師，我從老師身上學(xué)到了很多很多。我相信，在將來這將是我一筆無價的財富！在這，我再次感謝老師對我的照顧，如果沒有老師，相信我很難完成這次的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。
畢業(yè)設(shè)計是我們必須邁過的困難，否則我們將無法畢業(yè)，這不僅是我們的必修課，更是我們對自己在大學(xué)四年的一次檢閱。在這次畢業(yè)設(shè)計過程中，每一個遇到的問題，每一個知識點的回想，每一個付出的行動。必將得到回報。在今后，這將成為我永生難忘的經(jīng)歷。