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沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)論文
題 目： 車床上料機械手設計
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 1101
學生姓名： 施天宇
指導教師： 侯志敏
論文提交日期：2015 年 6 月 1 日
論文答辯日期：2015 年 6 月 5 日
摘要
本設計是關于車床的機械手設計，在日常工作生產(chǎn)中機械手的運用是非常廣泛的可以說是一種必不可少的科技產(chǎn)品,機械手是一種模仿人手的結構而設計的一種零件,在日常工作中它可以根據(jù)人們發(fā)送的指令來完成一系列的工作，所以它的靈活度十分的高運用很廣泛。與此同時，也說明了工業(yè)機械手可以完成人們完成不了或者很危險的工作，比如，工業(yè)機械手可以代替人們做一下復雜精密的工作，這不僅可以減少
失誤,還可以大大提高了工作的效率,有利于社會更快的發(fā)展，與此同時，比如一些很危險的工作，比如在車床上切鋼板，如果讓人工來操作，那么就會顯的很危險，所以這時候讓機械手來代替人工那么危險系數(shù)會大大的降低，所以機械手的運用必不可少。工業(yè)生產(chǎn)的大型工件的運用和操作，此時人工來操作的話會很困難，但是如果編寫程序讓機械手來操作那么工人只要按一下按鈕就可以輕松的操作機械手來完成一系列復雜的工作了。與此同時，對于一些十分嚴酷的環(huán)境，如果人工操作的話會顯十分的。更現(xiàn)實的優(yōu)勢,具有廣闊的應用前景。流水線車床生產(chǎn)是未來生產(chǎn)行業(yè)的一個必然的趨勢，如果把機械手運用到這個領域中那么就會大大降低工作時間，大大提高工作效率，所以在目前的這個領域里，對于機械手的開放利用，是一個重大的商機，更是一個大的趨勢，因為在目前的生產(chǎn)環(huán)境，該產(chǎn)品是必不可少的設備。所以就這點來說，我國要大力發(fā)展機械電子方面，這個領域在未來有著不可替代的作用，如果大力發(fā)展了這個專業(yè)那么我國未來的機械電子行業(yè)，各種高科技行業(yè)都會有著更有力的發(fā)展。另一方面人才是這個領域的核心，所以
要大力培養(yǎng)相關方面的人才才有可能讓我國在這個領域里越來越強大。并且通過發(fā)展自己的國家研究和開發(fā)，使其可成為機械行業(yè)的良好發(fā)展動力。
對于這個設計來說，手的設計是關鍵中的關鍵，人類的手可以完成大量超凡復雜的工作，所以我們所制作的機械手也要這個方面的能力，有著超高的靈活度，那么機械手就可以完成一系列大量的工作，而且還進一步的開發(fā)了電子機器人可以執(zhí)行許多操作。只有本發(fā)明，誰是從繁重的勞動中逐漸的工對于人類來說無法完成或者危險的工作，那么機械手是一個很好的代替。讓更多的人解放出來了，加入了許多機械電子零件的部分，不僅減少了人力，還大大縮小了工作的時間，對于一個企業(yè)來說這個方面的創(chuàng)新不僅可以節(jié)約成本還可以提高效率，真是兩全其美。我相信大部分的工廠都愿意做這件事情。因為這時不僅節(jié)省了時間，同時也降低了企成本。
這個主題的汽車計算機輔助設計技術的應用,機械和液壓原理設計的總體方案設計,已經(jīng)清楚的坐標機械手和自由形式和機械手的技術參數(shù)。和設計夾緊機械手手結構,結構手腕、手臂結構。所以它可以執(zhí)行實際生產(chǎn)自動上料運動,根據(jù)滿足生產(chǎn)力的需求是機械手的運動速度。
關鍵詞：機械手；手部設計；結構設計；CAD
Abstract
This design is about lathe manipulator design, the application of manipulator in the daily work of production is a very broad is a kind of indispensable technology products, manipulator is a kind of imitating the structure and design of a part of a man's hand, it may, according to people in daily working to send instructions to complete a series of work, so it's very high use of very broad flexibility. At the same time, also explains the industrial robots can do people not be completed or dangerous work, such as industrial robots can replace people to do the sophisticated work, this can not only reduce
Error, can also greatly improve the work efficiency, promotes the development of society and faster, at the same time, such as some very dangerous work, such as on the lathe cutting steel plate, if let artificial operation, then will show is very dangerous, so this time let manipulator to replace the manual so will greatly reduce the risk coefficient, so the use of manipulator is indispensable. Industrial production of the use and operation of large workpieces, the artificial to operation will be very difficult, but if the program let manipulator operation workers just press the button can easily manipulator to complete a series of complex work. At the same time, for some very harsh environment, will show very if manual operation. The advantage of more realistic, has broad application prospects. Production line lathe is an inevitable trend of manufacturing industry future, if the manipulator used in this field would greatly reduce the working time, greatly improve the work efficiency, so in this area so far, for open using manipulator, is one of the major business opportunities, it is a big trend, because in the current production environment, the product is indispensable equipment. So, as such, our country should vigorously develop machinery and electronics, this area has an irreplaceable role in the future, if the developing the professional machinery and electronics industry in our country in the future, the development of various high-tech industry will have a more powerful. On the other hand talent is the core of the field, so
Should vigorously develop relevant talents is likely to make in this field in our country is getting stronger and stronger. And through the development state of their own research and development, make its can be a good development momentum of machinery industry.
For the design, the design of the hand is the key of the key, the human hand can do a lot of unusual complex work, so we made the manipulator also wants the ability, has high flexibility, then manipulator can complete a series of a lot of work, but also further development of the electronic robots can perform many operations. Only the present invention, who is gradually the heavy labor work for human could not be complete or dangerous work, the manipulator is a very good instead. Let more people to liberate, joined the many mechanical parts, electronic components not only reduce the manpower, also greatly reduces the work time, the innovation for an enterprise can not only save costs but also can improve the efficiency, is the best of both worlds. I believe that most of the factories are willing to do it. Because at this moment not only saves time, but also reduce the enterprise cost.
The theme of car the application of the computer-aided design technology, overall design of mechanical and hydraulic principle design and has clear the coordinates of the manipulator and free form and technical parameters of the manipulator. And design the clamping manipulator hand structure, structure of the wrist, arm structure. So it can perform the actual production of automatic feeding movement, according to meet the needs of productivity is the rate of movement of the manipulator.
KeyWords: manipulator; handing structure ; structure design; CAD
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章緒論
目 錄
第一章緒論 1
1.1 工業(yè)機械手概述 1
1.1.1 機械手應用性 2
1.1.2機械手的先進性 3
1.1.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及趨勢 3
1.2設計目的 3
1.3課題內(nèi)容和設計要求 4
1.4 機械手的組成和系統(tǒng)工作原理 6
第二章機械手整體設計方案論證 7
2.1上料的機械手設計 7
2.1.1 整體車床上料機械手的結構和類型 7
2.1.2機械人手臂的坐標的形式以及多個自由度 8
2.1.3手臂設計的具體選用方案 9
2.2機械人手臂腰座結構設計 9
2.2.1機械人手臂腰座結構設計要求 9
2.2.2設計具體采用方案 11
2.3機械手手臂結構的設計 12
2.3.1機械臂的設計 12
2.4機械手腕部設計 13
2.4.1機器人手腕結構的設計要求 13
2.4.2設計具體采用方案 14
2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 15
2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 15
2.5.2機器人夾持器的運動和驅動方式 16
2.5.3機器人夾持器的典型結構 16
2.5.4設計具體采用方案 18
2.6機械手的機械傳動機構的設計 18
2.6.1工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題 18
2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 19
2.6.3設計具體采用方案 19
2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計 20
2.7.1機器人各類驅動系統(tǒng)的特點 20
2.7.2工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則 20
2.7.3機器人液壓驅動系統(tǒng) 21
2.7.4機器人電動驅動系統(tǒng) 22
2.7.5設計具體采用方案 24
第三章機械手設計計算 25
3.1 夾持式手抓的設計計算 25
3.1.1 手抓部力的計算 25
3.2腕部設計 26
3.2.1腕部的設計要求 26
3.3.1臂部設計要求 27
3.3.2 臂部回轉運動 28
3.3.3臂部升降運動 28
3.3.4臂部升降油缸的計算 29
第四章機械手的其他部分設置 31
4.1 緩沖定位裝置 31
第五章機械手總體方案總結 32
5.1 傳動方案的確定 32
5.2 規(guī)格參數(shù) 32
第六章畢業(yè)設計的感想 33
參考文獻 34
致謝 35
沈陽化工大學科亞學院 第一章緒論
第一章緒論
在自動化生產(chǎn)過程中，自動化新技術發(fā)展迅速。它加速機器人技術的發(fā)展，機器人因科學的發(fā)展而發(fā)展，現(xiàn)代的科技以更好地實現(xiàn)約束力的機械化和自動化為目標。機器人的應用更加模塊化，機器人可以提供各種幫助。如果普通車床加工單元可以包括大量的生產(chǎn)模式，可以節(jié)省巨大的成本，目前的機械業(yè)所制成的機械電子產(chǎn)品結構緊湊，功能強大。目前，中國的機械應用水平和外國機器人工程學相比，還有不小的差距。產(chǎn)業(yè)化和應用也有不小差距，研究和開發(fā)機器人水平直接影響到中國的自動化，為了提高生產(chǎn)水平，考慮到經(jīng)濟和技術方面的問題，所以，我認為，機械手這項研究的設計是非常重要。
1.1 工業(yè)機械手概述
可以先討論一下機械手結構的起源。工業(yè)的機械手最開始從美利堅合眾國開始的。一九五四年穿西奧率先給大家說出一個概念就是機械手概念。機器人的作用可以讓人們行動示范操作可以實現(xiàn)從模擬運動到記錄和回放。這就是機器人教學和再現(xiàn)。
優(yōu)點是可以通過編程來完成通過程序達到的預定的操作任務,同時在所有者和各自優(yōu)勢的結構和性能的機器。特別是反映人類的適應性和智慧。
可以根據(jù)使用的大小的范圍可分為兩種:通用機械手,專用機械手;根據(jù)行走的軌跡控制方式可分為連續(xù)路徑控制機械手和位置控制機械手等等。
機械手的三個部分，包括控制系統(tǒng)，一方面，體育組織。一只手的一個組成部分（或工具）是由掌握工件..和特定的大小，形狀，重量，材料和基于抓取工件的要求，有多種結構形式，如類型，夾緊，吸附，等。任何旋轉運動機構的建成將使手部結構（擺動），運動和復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的前進，所以調整對象的位置和姿態(tài)，抓住。電梯和運動機理，縮放，旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由。因為任何物體在空間的位置和方向被抓，共有六個自由度。該機械手設計的關鍵參數(shù)是自由，更靈活的匯率操縱國，更廣泛的使用，和他的結構更復雜的結構。正常情況下，一個特殊的機器人有三個自由度。每一個自由度（自由度運動控制）是由機器人控制的實現(xiàn)特定的運動。同時接收來自傳感器的信息反饋。穩(wěn)定的閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)的核心，由單片機和其他的微控制芯片，編程實現(xiàn)所要求的功能。
1.1.1 機械手應用性
自動化的程度可以提高生產(chǎn)過程中傳送機器人改進材料的應用中，工件裝載，和工具的變化和機械組件所需的自動化程度。進一步提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，以加快生產(chǎn)的工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化。其次，還可以提高勞動生產(chǎn)效率。避免人身傷害。而且，如果應用機械手可以部分或全部完成人工的作業(yè),保證人的人們的安全,改善工人的工作條件。,人們可以在一些簡單動作的生產(chǎn)里，一些簡單的生產(chǎn)操作里,使用機械手來代替。對于一些危險的環(huán)境，如果人工操作相對的危險，那么可以使用機械手來操作 。
31
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章緒論
1.1.2機械手的先進性
來看一個國家的經(jīng)濟實力還有他的科學技術水平，就是看一個國家的機械發(fā)展水平。因此,所有國家發(fā)展機械行業(yè)作為經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略重點之一。人類不能單獨將連接這些不連續(xù)的生產(chǎn)過程很好的鏈接到一起這樣會很費時并且人類再也不能忍受一個個很復雜的工作。機械手的使用很好的解決這種情況,不僅降低了作業(yè)的錯誤度,還進一步減少了人員傷亡。工業(yè)機器人是一種新技術，在現(xiàn)代自動控制領域，是現(xiàn)代機械制造系統(tǒng)的一個重要組成部分，要大力的發(fā)展。隨著這種新技術的飛速發(fā)展，甚至是一些重復的動作更精確的操縱也可以達到高精度。如果機器人的操作出現(xiàn)了錯誤。那么就可以從程序里找出原因。
1.1.3國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及趨勢
作為最早的工業(yè)機器人,也是第一個現(xiàn)代機器人。它取代了人可以勝任任何工作，讓其在機械、冶金、電子、輕工和原子能等方面有了更好的發(fā)展。在未來發(fā)展的機械手主要是以下兩個方面進行創(chuàng)新:1．實現(xiàn)高精度。2．機械模塊化，讓其擁有更高的靈活度。
1.2設計目的
窗體頂端
畢業(yè)學生把這個做為畢業(yè)設計，這本身就是個一個極為重要的最終實踐教學。其基本理論作為學生綜合運用基礎知識和基本技能，以解決在專業(yè)領域的工程問題，并進行了基礎和專業(yè)訓練。為學生開展今后的工作提供了更好的機會，讓其更好地參與今后的工作。
1.3課題內(nèi)容和設計要求
（一）原始數(shù)據(jù)及資料
（1）原始數(shù)據(jù)：
A生產(chǎn)綱領： 100000件
B自由度 （四個自由度）
手部轉動90o
臂伸長（收縮）500mm
臂轉動 180o
臂上下運動600mm
（2）設計要求：
A上料機械手的結構設計圖、裝配圖、各主要零件圖（1套）
B設計的計算說明書（1份）
（3）技術上要求
主要參數(shù)和確定：
A坐標形式： 直角坐標系
B臂的運動行程： 伸縮運動500mm，回轉運動180o
C運動速度： 使生產(chǎn)率滿足；生產(chǎn)綱領的要求即可
D控制方式：初始起止設定位置
E定位精度： ±3毫米
F手指握力： 60千克
G驅動方式： 液壓驅動系統(tǒng)
（二）分析料槽形式及動作要求
（1）料槽的形式
窗體頂端
工作的形狀是一小部分的轉子。因此，零件的這種形狀是用來更好的活動。例如，如圖1機械手的安裝簡易圖所示。該裝置結構簡單。
圖1 機械手安裝簡易圖
（2）動作要求的分析
動作：
1手臂伸長（小段距離）至料區(qū)
2手爪夾緊
3手臂上升
4手腕旋轉
5手臂旋轉（對準車床卡料區(qū)）
6小臂伸長（至車床卡料區(qū)）
7機座移動（棒料送入卡盤）
8手部松開
9小臂縮回
10手腕回轉
11機座移回
12手臂回轉
13手臂下降
1.4 機械手的組成和系統(tǒng)工作原理
工作原理框圖（機械手的系統(tǒng)）
如圖2所示：
圖2 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章機械手整體設計方案論證
第二章機械手整體設計方案論證
2.1上料的機械手設計
2.1.1 整體車床上料機械手的結構和類型
例如以下的幾種結構
1.“直角坐標”機器手臂的結構
三個相互垂直的線性運動來實現(xiàn)笛卡爾機器人的空間運動。 然而，該空間為相對來說是很小的。。
圖3 機械手總體結構類型
圖4 機械手手腕轉動形式
2.1.2機械人手臂的坐標的形式以及多個自由度
按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其坐標型式可分為直角坐標式（圖4）、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)式。由于車床上了機械手在上料時手臂具有升降、收縮及回轉運動（圖5），因此，采用圓柱坐標式相應的機械手具有三個自由度。
圖5 機械手直角坐標系
2.1.3手臂設計的具體選用方案
對于機械手的基本要求是可以快速的進行作業(yè)，這就要求它要有更高的精度，并且有足夠的靈活度，有大量的工作空間，有一定的剛度和強度。而且可以輕松的編寫程序來寫出程序來控制機械手。
圖6 通用車床上料機械手整體結構
2.2機械人手臂腰座結構設計
機械手對于各個部分和位置都進行了詳細的設計以及機構設計。
2.2.1機械人手臂腰座結構設計要求
1后座有一個足夠大固定結構，以保證機器人在工作時整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2后座承擔全部重量和負載，因此，與基體的軸承結構和腰部具有足夠的強度和剛度，以確保它的承載能力。
3機械手的旋轉接頭，對機器人的運動和操作的準確性的影響最大，因此，要特別注意對這個部位進行更加精密的設計。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章機械手整體設計方案論證
2.2.2設計具體采用方案
通過擺動液壓缸或液壓馬達，目前的趨勢是使用這個。由于其精度高，結構緊湊，并且由電氣控制，無需設計液壓系統(tǒng)等輔助設備?？紤]第一個旋轉接頭,腰座是影響機器人操作的最大因素，并且這個部位采用電機驅動實現(xiàn)旋轉運動，一般不能直接驅動電動機,考慮到特定需求的速度和轉矩,采用大型齒輪傳動系統(tǒng)。
圖7 腰座具體結構
2.3機械手手臂結構的設計
根據(jù)工件的要求，機械手有三個自由度。臂和運動的向下轉動通過柱實現(xiàn)，該動作是一個橫臂橫向運動，由油缸運動來實現(xiàn)。
2.3.1機械臂的設計
要求機械手在一定載荷要以以一定的速度，實現(xiàn)預定的動作。在機械手臂的設計中，要考慮到下面的原則;
1手臂應盡可能平行于關節(jié)軸，這樣我們就可以做反向運動，簡化操作，有助于控制機器人。
2整個零件的尺寸應滿足工作條件的要求。工作空間大小和機械臂關節(jié)旋轉范圍的形狀和尺寸的長度有密切的關系。
3為了提高速度和運動控制精度機械臂應保證有足夠的強度和剛度，所以可以采用一些高硬度的材料。
4 手臂要有一定的靈活度，因為在抓取零件時，手要有一定的靈活度，才會更好的去按照程序進行工作。
2.4機械手腕部設計
縱臂運動和提升水平（低）伸縮運動為直線運動?？紤]到重量的因數(shù)，考慮到30千克加工質量，同時，考慮到動態(tài)性能和機器人動作的穩(wěn)定性，安全性，所以對對臂硬度有了更高的要求。與此同時，臂的驅動選擇液壓傳動因為液壓系統(tǒng)可以提供大量的驅動力，因此，電力和結構強度是相對容易實現(xiàn)的，關鍵是機器人的運動的穩(wěn)定性和剛性。
同時，控制和具體工作要求，臂結構不能太長，如果只增剛度，不能滿足系統(tǒng)剛度的要求。因此，附加的設計為導桿機構，前臂加入兩個導桿，桿一起形成恒截面的等邊三角形，試圖以增加其剛性，臂可添加四個導桿，該正方形布局，減少使用中空導桿的素質結構。通過將引導桿，可顯著改善剛性和機械手運動的穩(wěn)定性，更好的結構解決了這個問題。
機器人的手臂運動，給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。
2.4.1機器人手腕結構的設計要求
1機器人手腕安裝在機器人手臂,在設計機器人的手腕時,應該努力減少其重量和體積,結構緊湊。為了減少機器人手腕的重量,手腕機構的分離運用驅動。一般安裝在手臂、手腕驅動不使用直接驅動,并選擇高強度鋁合金制造。
2機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸。
3機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。
4要設有可靠的傳動間隙調整機構，提高傳動精度。
2.4.2設計具體采用方案
通過數(shù)控機床的裝載作業(yè)的詳細分析，并考慮到數(shù)控機床的特定形式的具體要求和機器人裝載操作，會議系統(tǒng)技術的需求，以提高安全性和可靠性的前提下，那么機器人手結構盡可能地簡單，減少控制的難度，這樣的設計不會增加手腕的自由度,實踐證明它是完全可以滿足的要求，可以實現(xiàn)機器下運動。特定的手指結構如圖
所示。
圖8 車床上料機械手手指
2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計
2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求
機器人末端執(zhí)行器被連接到用于特定的操作或任務的安裝機器人的腕部裝置。一種機器人末端執(zhí)行器很多，以適應不同的工作要求和操作機器人。端可以分為運輸，處理和測量等。上面的運輸，是指被用來抓取或吸附對象處理各種方式操作。 加工時用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。
在設計機器人末端執(zhí)行器時，應注意以下問題；
1.機器人末端執(zhí)行器是根據(jù)作業(yè)機器人的要求而設計的。我們可以添加一個新的機器人的應用領域。因此，根據(jù)需要和想像來創(chuàng)造新的機器人末端執(zhí)行器，我們將繼續(xù)擴大機器人手臂的應用。
2.重量末端執(zhí)行器，機器人端的要求EFFECTOR體積小，重量輕，結構緊湊。
3.機器人末端執(zhí)行器的普遍性和特殊性是相互的。結構是非常復雜的結構，甚至難以實現(xiàn)，例如，普遍的人形機器手，還沒有實用。目前，可用于生產(chǎn)是那些結構簡單機器人手。從產(chǎn)業(yè)實踐中，我們應該注重各種專用，高效的機械手的發(fā)展，再加上快速更換終端設備，以實現(xiàn)多種作業(yè)功能，而不是制造出一種專用的機械手，這樣會提高成本。
4.多功能性和普遍性是兩個概念，普遍是指一機多能，和有限的多功能裝置的末端執(zhí)行器，適用于不同的機器人，這需要端部執(zhí)行器具有標準機械接口（例如凸緣），端部執(zhí)行器，以實現(xiàn)標準化和積木。
5.機器人手臂，方便安裝和維護，易于實現(xiàn)計算機控制。電腦控制的最方便的電動執(zhí)行機構。因此，主流工業(yè)機器人致動器是電動，接著液壓和氣動。
2.5.2機器人夾持器的運動和驅動方式
該機器人抓取和夾持器的機器。一般工業(yè)機械爪，爪。根據(jù)手指的運動,可以分為運動和轉換類型,根據(jù)夾緊方式,外夾式和內(nèi)型兩種。
機器人夾持(爪子)有三個主要類型的駕駛方式
1。該驅動系統(tǒng)的氣動驅動方式是使用電磁閥來控制的運動方向爪,與空氣調節(jié)器調整速度。氣動驅動系統(tǒng),價格低所以氣動夾具是在工業(yè)上得到廣泛應用。此外,由于氣體的可壓縮性,迅速開始爪抓住運動具有一定的靈活性,這是把握行動是必要的。
2。電力驅動的電動驅動爪更廣泛的應用。爪，一般的直流伺服或步進電機，減速機,需要足夠的動力和力矩。
3。液壓傳動傳動剛度大的液壓傳動系統(tǒng),可實現(xiàn)連續(xù)的位置控制。
2.5.3機器人夾持器的典型結構
1。楔塊杠桿式手爪
使用楔和杠桿實現(xiàn)爪抓取工件。
2。槽式夾具
當活塞向前，推針夾緊槽合并，從而產(chǎn)生夾緊作用和夾緊力，當活塞運動，夾爪松脫。鉗子打開和關閉行程大,適應不同大小的現(xiàn)象。
3。連桿杠桿爪子
在推力活塞時，連桿和桿夾（放松）的運動，這時電動控制桿可能會產(chǎn)生更大的夾緊力。通常與溫度有關。
4。齒輪齒條式爪
鉗子的活塞移動架、機架和齒輪旋轉,產(chǎn)生夾緊和放松的行為。
5。平行夾桿
在平行四邊形機構，以確保這兩個手指爪可以平行運動，在導軌平行移動的摩擦要小得多。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章機械手整體設計方案論證
2.5.4設計具體采用方案
結合具體情況,設計采用連桿杠桿式的手爪。本設計根據(jù)工件的直徑是80 - 130毫米。夾具的具體結構如圖9所示:
圖9 手爪的具體結構
2.6機械手的機械傳動機構的設計
2.6.1工業(yè)機器人傳動機構設計應注意的問題
機器人是一個多層次的聯(lián)系和關節(jié)空間自由移動機構。除了直接驅動機器人，該機器人是每個零件，每個關節(jié)運動由一個由各種機械傳動機構驅動。使用機器人驅動機構和一般的機械傳動機構是類似的。常見的機械傳動機構包括螺旋齒輪，齒輪，皮帶驅動，高速帶，等等。由于驅動構件直接影響的機器人，穩(wěn)定和快速反應能力的準確性，因此選擇比較準確的驅動是十分重要的。
在設計機器人的傳動機構時要注意以下問題：
1。為了提高機器人的運動速度和控制精度,要求每個機器人移動部件輕。因此，機器人的驅動系統(tǒng)，力求結構緊湊，重量輕，體積小。
2采用傳動鏈和運動副間隙的調整機制,以減少造成的運動誤差。
3。傳動部件靜摩擦力應該盡可能小,動態(tài)摩擦應該盡可能小,要求高精度的。因此，傳動部件要與低摩擦導向軸承組件，諸如滾珠絲杠，滾動導軌軸承。
4?？s短傳動鏈,提高軸承剛度;基于扭矩大,寬調速的直流或交流伺服電機直接連接螺母副,以減少中間傳導機制;螺桿的軸承設計或與兩端的軸向預加載軸承預拉伸結構,等等。
5。選擇最佳的傳動比,提高系統(tǒng)分辨率,減少相當于組件的輸出軸的等效轉動慣量,盡可能提高加速度的能力。
2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式
1.齒輪傳動機構
機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設計一般在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。
2.6.3設計具體采用方案
具體到本設計中，因為使用了機器人臂在水平方向和垂直液壓缸中，由于液壓缸直接驅動。因此，沒有中間傳動機構，它簡化了結構，提高了精度。腰部旋轉運動機器人由馬達驅動，該傳動機構必須用來減緩并增加扭矩。通過分析和比較，選擇圓柱齒輪，以確保高精確度，盡可能減小齒輪傳動誤差，而大大提高了轉矩，同時降低電機的速度，保持流暢的機器人的移動，良好的動態(tài)性能。所以要使用高強度材料的齒輪。
2.7機械手驅動系統(tǒng)的設計
2.7.1機器人各類驅動系統(tǒng)的特點
1.液壓驅動系統(tǒng)
隨著液壓技術的發(fā)展，它具有功率大，響應速度快，直接驅動等容易實現(xiàn)的功能。適用于高負載能力，大慣量的工作和火災和爆炸的環(huán)境中工作使用。然而，在液壓系統(tǒng)需要的能量轉換（電能被轉換成液壓能），在利用油門速度大多數(shù)情況下的速度控制，效率比電驅動系統(tǒng)高，液壓系統(tǒng)對環(huán)境的污染高，工作噪音較高。
2.氣動驅動系統(tǒng)
速度快，結構簡單，維修方便，價格低廉。適用于小負載的工作環(huán)境。但是，因為它是難以實現(xiàn)伺服控制，所以不經(jīng)常使用。
2.7.2工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的選擇原則
機器人設計中，系統(tǒng)的選擇，根據(jù)該機器人工作的要求，性能規(guī)格，機器人控制的難易程度，機器人的維護和操作，節(jié)約成本的因素。請注意，對上述因素，對于各種驅動系統(tǒng)其合理性，可行性，經(jīng)濟性和可靠性要進行考慮，最終選擇合適的系統(tǒng)。在正常情況下:
1。過程控制機器人，重型液壓驅動系統(tǒng)，介質負載可選電動機驅動系統(tǒng)，輕載可選氣動驅動系統(tǒng)。沖壓機械手采用氣動驅動系統(tǒng)..
2。點焊，弧焊和噴涂機器人，需要指向和路徑控制功能，需要使用伺服驅動系統(tǒng)。僅使用液壓或電動伺服系統(tǒng)無法滿足要求。重負載的工件，可以選擇液壓驅動系統(tǒng)。
2.7.3機器人液壓驅動系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)自1962年以來,世界上第一個機器人應用到現(xiàn)在,已廣泛應用于工業(yè)機器人。目前，雖然在很多媒體，工業(yè)機器人加載電機驅動系統(tǒng)已有很大的比重，但是液壓驅動系統(tǒng)十分的方便，成本低，其仍然是必不可少的一個系統(tǒng)。機器人的作用為被控制的電動液壓系統(tǒng)將元件信號放大，液壓動力機構，位置和速度控制都由程序來控制，運動控制動作基于給定的機械手臂。液壓動力機構，在大多數(shù)情況下使用液壓缸或線性振動電機，幾個連續(xù)旋轉液壓馬達。在工業(yè)機器人，小功率，采用速度油門轉速液壓驅動系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)的有高功率容量。油門控制系統(tǒng)，動態(tài)特性，但效率不高。速度控制系統(tǒng)的前量，但高效率的動態(tài)特性。機器人液壓驅動系統(tǒng)可分為兩大類，項目控制和伺服控制。
1.程序控制機器人的液壓系統(tǒng)
（1）液壓缸設計：在密封保證的前提下，盡量使用橡膠和塑料密封結合，以減少摩擦，提高液壓缸的使用壽命。
（2）緩沖液和制動錨點：因為機器人臂慣性比較大，所以增加緩沖墊和制動機構或鎖定裝置。
（3）大量的軸的運動的液壓缸的兩側優(yōu)選安置它的安全保護電路，防止過載而碰撞損壞機械結構。
（4）蓄能器應加入液壓壓力源。
2.伺服控制機器人的液壓系統(tǒng)
位置控制和工業(yè)機器人連續(xù)軌跡控制功能，需要電子--液壓伺服驅動系統(tǒng)，其電-液轉換和功率放大元件有電-液伺服閥，電-液比例閥，電-液脈沖閥等。電-液伺服動力機構由上面各種閥件和液壓動力機構組成。
2.7.4機器人電動驅動系統(tǒng)
機器人壓縮空氣為動力源，如各類機器人和伺服馬達和伺服驅動器的快速發(fā)展，為機器人驅動系統(tǒng)更新創(chuàng)造條件。由于高起動轉矩、大扭矩、低慣性的交流和直流電機的應用，機器人的動力問題得到解決,所以一般來說,重量在100公斤的工業(yè)機器人的使用電力驅動系統(tǒng)。
1.機器人驅動系統(tǒng)電機的選擇
根據(jù)機器人目的，用途，機器人驅動電機的選擇更加多樣化，結合各種馬達，性能，結構特征和具有成本效益的要綜合考慮。根據(jù)機器人的運動軸電機的額定轉矩，減速機，負載特性的要求來計算，選擇額定功率等參數(shù)，根據(jù)其主要特點和性能，在選擇合適的電機。
表1 各類驅動電動機主要特點
名稱
主要特點及性能
結構特點
用途及使用范圍
驅動器
慣量直流永磁伺服電動機
電機的慣量小，理論加速度大，快速反應是好的，和良好的低轉速，速度比可達1：10E4范圍內(nèi)，但不低的輸出扭矩
轉子直徑小，慣量小
適用于快速和苛刻的負載轉矩不大的場合
可控硅直流PWM伺服驅動變壓器驅動器
有刷繞組永磁直流伺服電動機
轉動慣量小，快速響應性能好；轉子無鐵損，效率高；換向性能好，壽命長；負載波動對轉速影響小，輸出力矩平穩(wěn)。
無鐵心，具有軸向平面間隙
可頻繁起制動、正反轉工作，響應迅速，適用于機器人，數(shù)控等
直流PWM伺服驅動器，SCR變壓驅動器
大慣量永磁直流伺服電動機
輸出力矩大，轉矩波動小，機械特性硬度大，可以長時間工作在堵轉條件下
又稱力矩電機，其轉子較粗
適用于驅動力矩較大的場合，因可不用齒輪傳動，消除了齒輪間隙
直流PWM伺服驅動器，SCR變壓驅動器
表2 各類驅動電動機主要特點
反應步進電 機
電脈沖信號直接進入角，所述角是成正比的脈沖數(shù)，輸出力矩大
電機轉子無轉租，由永磁體構成轉子磁極
作為用于數(shù)字系統(tǒng)的致動器，如數(shù)控機床，機器人;開環(huán)控制
直流PWM伺服驅動器SCR變壓驅動器
同步交流伺服電動機
定子繞組的旋轉磁場的速度建立了嚴格的同步;從低到高轉速，高電流通過定子繞組，所以起動和制動轉矩不減小，可頻繁起動和制動
由永久磁鐵轉子，定子具有三相，轉子相對較小，
主要用于中小容量的伺服驅動系統(tǒng)，如數(shù)控，機器人和其他系統(tǒng)
交流PWM變頻調速器
異步交流伺服電動機
速度總是比旋轉磁場由定子繞組產(chǎn)生，機構簡單，高容量，低價格低
定子由對稱三相繞組組成，
用于數(shù)控機床主軸等容量大的場合
交流PWM變頻調速器
2.機器人電動驅動系統(tǒng)伺服驅動器
（1）直流電機伺服驅動器
直流伺服電機驅動電流和脈沖寬度調制伺服驅動程序。電源電壓是固定值,功率晶體管作為開關元件,以固定開關頻率的動作,但脈沖寬度可以改變控制電路,改變脈沖寬度可以改變平均在電動機的電樞電壓,從而改變電機的速度。
（2）步進電機驅動器
步進電機控制裝置包括：一個脈沖發(fā)生器，環(huán)形分配器，功率放大器。
2.7.5設計具體采用方案
特定于該設計,具體工作要求的分析之后。機械手腰部需要步進電機驅動器，實現(xiàn)了一定精度的定位控制旋轉運動 ，可以有效對整個系統(tǒng)進行控制。同時機械手的腰部運動要靠一定的定位控制精度，所以要選擇步進電機驅動。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章機械手設計計算
第三章機械手設計計算
3.1 夾持式手抓的設計計算
3.1.1 手抓部力的計算
1．夾緊力的計算
夾緊力
KG …………………………………………………（3-1）
式中：
——安全系數(shù)一般取1.2~2；
——動態(tài)負載系數(shù)，主要考慮的沖擊慣性力。
——方位系數(shù)；
——被抓取工件的重量60kg。
根據(jù)本次所設計的手爪結構
=1.5，
……………………………………………… （3-2）
……………………………（3-3）
所以N==2.56KN
……………（3-4）
取η=0.87，η為機械傳動效率，由摩擦等因素產(chǎn)生。
…………………………………………（3-5）
3.2腕部設計
手和胳膊的手腕是連接組件,它有獨立的自由度,機械手,以滿足需求的復雜運動。手腕運動在X軸運動稱為旋轉;在Y軸運動稱為球場;在Z軸運動稱為搖擺;也可以有一個自由度沿Y方向移動。
3.2.1腕部的設計要求
1．腕部自由度的選取
2．腕部的動作要靈活、自重要輕
圖10 手腕回轉結構圖
圖11 手腕回轉油缸截面圖
3.3.1臂部設計要求
臂設計實現(xiàn)所需的運動第一次要求,為了實現(xiàn)這些動作需要滿足以下幾個要求。
表3 幾種常用梁的慣性矩比較（以一種截面為例）
名稱
截 面 形 狀
截 面 積
每米重量
慣性矩
為圓鋼的幾倍
圓鋼
F=28.9
（D=6）
G=22.19
J=63.6
鋼管
F=28.3
（D=6）
（d=8）
G=22.19
J=284.5
≈4.5
工字鋼
F=28.3
（16號斷面）
G=20.5
（）
≈18
≈(1.5)
槽鋼
（20號斷面）
G=22.63
()
≈(28)
≈2
3.3.2 臂部回轉運動
手臂運動,除了前后伸縮運動和旋轉運動。機械手的設計,它的設計將是一個單一的旋轉運動。有些機器人,而不是一個旋轉運動,而是相結合的復合運動?？梢杂幸韵鲁绦騺硗瓿梢粋€個單一的旋轉運動。
3.3.3臂部升降運動
一些機械手的升降行程比較大，需設計立柱式結構，支撐升降運動機構，其輪廓尺寸相對比較大。
圖14 升降機構設在機座上方
c .可伸縮的提升機制
這個平臺的組織結構的優(yōu)點是整個機器形式高度可以降低高度是機器人臂的高度，轉動臂的轉動慣量可以更小，不需要額外的指導支持，結構緊湊，提高的旅程。
d .線性缸升降結構
起重機械手臂的機制設計也直接使用,其結構如圖15所示,導套,導性能好,剛度大,工作穩(wěn)定,球鉸鏈的活塞桿和導向套時,活塞桿的傾斜荷載撓度。
圖15 機械手的升降液壓缸結構圖
3.3.4臂部升降油缸的計算
（1）液壓缸主要參數(shù)的確定
液壓缸的工作壓力為p=2.94Mpa，推力F=24000N
——液壓缸的機械效率，一般取=0.95
，
經(jīng)計算>7.5
（2）活塞桿直徑計算
（3）液壓缸的流量計算
中部位置檢測裝置是利用機器人的運動控制的位置，或檢測設備，由控制系統(tǒng)的運動控制機器人的位置。如反饋控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和調整的位置控制系統(tǒng),運動停止在規(guī)定的位置,為了確保機器人的運動的定位精度。引用一個應用電液比例反饋控制。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章機械手的其他部分設置
第四章機械手的其他部分設置
4.1 緩沖定位裝置
專用機械手的緩沖常用的方法,一個簡單的通用機械手大致可以分為內(nèi)部和外部兩種緩沖緩沖區(qū)。鏈接在緩沖緩沖驅動系統(tǒng),例如設置緩沖電路,緩沖組件在石油、油缸設置緩沖機制。大部分的液壓機械手使用方法的內(nèi)部緩沖區(qū)。緩沖區(qū)以外的傳動系統(tǒng),建立緩沖區(qū)的器官,如液壓緩沖。氣動驅動的機械手將空氣壓縮,速度穩(wěn)定,大多數(shù)采用緩沖的方法的特點。
圖17 可調式油缸端部緩沖機構
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章機械手總體方案總結
第五章機械手總體方案總結
5.1 傳動方案的確定
考慮到小圓柱坐標系的運動區(qū)和大范圍的特點，決定采用圓柱坐標類型。機器人抓取工件外圓條，由于桿具有固定的長度，轉向要有一定的要求，它應當設計機器人腕部90度旋轉運動，機器人將需要解除臂，拉伸，旋轉，手腕旋轉和平移四個自由度，以滿足該材料的操作要求。
5.2 規(guī)格參數(shù)
自由度
范圍
速度
停止位置數(shù)
手臂伸縮
500毫米
200毫米/秒
2
手臂回轉
180度
30度/秒
2
手臂升降
600毫米
150毫米/秒
2
手腕回轉
90度
45度/秒
2
機座平移
400毫米
150毫米/秒
2
夾持范圍 Φ90-120毫米
坐標形式 圓柱坐標
驅動源 液壓驅動
控制方式 程序控制
定位方式 形成開關
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第六章畢業(yè)設計的感想
第六章畢業(yè)設計的感想
將近一個季度的畢業(yè)設計轉眼間已經(jīng)到了掃尾階段，在這小半年的的設計學習過程中，我取得了前所未有的長足進步，這都要歸功于這一階段幫助過我的老師和同學。
我所選的畢業(yè)設計，也就是機械手的設計這個課題，是我以前從來沒有涉及過的。我覺得他完全是一個陌生者，但如今經(jīng)過指導老師的全力幫助以及對參考資料的翻閱和了解，我覺得已經(jīng)對機械手有了一定層次的了解。
作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，機械自動化它有著廣袤的市場前景，他需要廣大工程師著力研究。
機械手可以模仿人體上肢所能做出的一些動作，因此要有一定的靈敏度。固對設計的要求比較高。我通過這次畢業(yè)設計，大大的加強了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學習過的知識面，更加熟練掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，也培養(yǎng)了我們正確使用國家標準、機身材料、圖冊等工具書的能力。
畢業(yè)設計就是在模擬未來的工作。我通過這次設計，對于即將到來的未來，以及將要從事的工作都充滿了信心！
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 參考文獻
參考文獻
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[2]朱龍根黃雨華，機械系統(tǒng)的設計 [M],——機械工業(yè)出版社.一九九六年五月
[3]成大先主編,機械設計手冊之液壓氣動[M],——化學業(yè)出版社.二零零四年一月
[4]成大先主編,機械設計手冊第五版[M]——化學工業(yè)出版社.二零零八年四月
[5]《工業(yè)機械手圖冊》編寫組,工業(yè)機械手圖冊[M]——機械工業(yè)出版社.一九七八年九月
[6]沈陽機床工業(yè)公司七·二一大學，工業(yè)機械手[M]——遼寧人民出版社.一九七九年二月
[7]田綠竹王新主編,機械制圖[M]——冶金工業(yè)出版社,二零零七年八月
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 致謝
致謝
此論文文章由我尊敬的侯志敏老師的悉心指導，經(jīng)歷過長時間刪改完成的。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和精益求精的工作作風使我收益頗豐。我覺得四年來最應該感謝的也是我們的專業(yè)老師——侯老師，我代表我們機械系11級全體學生對侯老師致以崇高的敬意!在此課題的研究以及開發(fā)的時段，我得到了候老師的全力支持和大力幫助，同時為我提供了許多支持佐證還有專業(yè)的資料，我也是非常感謝他們對于我的幫助。四年的學習生活即將告于段落，我很感謝父母的資助與培養(yǎng)，也感謝老師和同學的鼓勵與幫助。