轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真本科毕业论文 (1).doc
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长春工业大学学士学位论文
轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真
摘要
文章主要叙述了机械手的设计计算过程。
伴随着工业自动化发展和需要，机械手在工业应用中越来越广泛重要。
首先，本文介绍机械手机械手的组成和分类以及作用，阐述了自由度和机械手整体座标的形式。
同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。
文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。
全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。
最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。
关键词：
机械手；气压传动；气压缸；运动仿真；
Thelightstablemotiontransportsmanipulator'sdesignandthemovementsimulation
Abstract
Theapplyingofthemanipulatorsaremoreandmoreimportantintheindustry,withthedevelopmentofindustrialautomation.Thepapermainlynarratedthedesignandcalculationoflightandtransfermanipulator.
Thefirst，Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator.
Thisarticlesystemelaborationindustrymanipulator'sdesigntheoryandmethod.Thecomprehensiveexhaustivediscussionhastransportedmanipulator'shand,thewrist,thearm，thefuselageandsoon,whichthemajorstructuraldesigncomputation.
Finallyusesthesoftwaretocarryoutthemovementsimulationformanipulator'shand.
Keywords:
manipulator;motionsimulation;hydraulicpowertransmission；Hydrauliccylinder
目录
中文摘要 1
英文摘要……………………………………………………………………………………….2
主要符号表 7
1绪论 1
1.1前言 1
1.2工业机械手的简史 1
1.3工业机械手在生产中的应用 3
1.3.1建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 3
1.3.2在实现单机自动化方面 3
1.3.3铸、锻、焊热处理等热加工方面 3
1.4机械手的组成 4
1.4.1执行机构 4
1.4.2驱动机构 4
1.4.3控制系统分类 5
1.5工业机械手的发展趋势 5
1.6本文主要研究内容 6
1.7本章小结 6
2 机械手的总体设计方案 7
2.1机械手基本形式的选择 7
2.2机械手的主要部件及运动 7
2.3驱动机构的选择 8
2.4机械手的技术参数列表 8
2.5本章小结 8
3机械手手部的设计计算 9
3.1手部设计基本要求 9
3.2典型的手部结构 9
3.3机械手手抓的设计计算 9
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 9
3.3.2手抓的力学分析 10
3.3.4夹紧力及驱动力的计算 11
3.3.5手抓夹持范围计算 12
3.4机械手手抓夹持精度的分析计算 13
3.5弹簧的设计计算 14
3.6本章小结 16
4腕部的设计计算 17
4.1腕部设计的基本要求 17
4.2腕部的结构以及选择 17
4.2.1典型的腕部结构 17
4.2.2腕部结构和驱动机构的选择 18
4.3腕部的设计计算 18
4.3.1腕部设计考虑的参数 18
4.3.2腕部的驱动力矩计算 18
4.3.3腕部驱动力的计算 19
4.3.4气压缸盖螺钉的计算 20
4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 21
4.4本章小结 22
5臂部的设计及有关计算 23
5.1臂部设计的基本要求 23
5.2手臂的典型机构以及结构的选择 24
5.2.1手臂的典型运动机构 24
5.2.2手臂运动选择机构的 24
5.3手臂直线运动的驱动力计算 24
5.3.1手臂摩擦力的分析与计算 24
5.3.2手臂惯性力的计算 26
5.3.3密封装置的摩擦阻力 26
5.4气压缸工作压力和结构的确定 26
5.5本章小结 28
6机身的设计计算 29
6.1机身的整体设计 29
6.2机身回转机构的设计计算 30
6.3机身升降机构的计算 34
6.3.1手臂偏重力矩的计算 34
6.3.2升降不自锁条件分析计算 35
6.3.3手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 36
6.4轴承的选择方案 36
6.5本章小结 37
7 ADAMS模型的建立与仿真 38
7.1虚拟样机技术 38
7.2ADAMS软件 38
7.3手部模型的建立 40
7.4本章小结 44
8结论 45
主要符号表
手指夹紧力N
D弹簧中径
弹簧内径
弹簧外径
C弹簧旋绕比
n弹簧有效圈数
M转动缸的回转力矩
偏重力臂mm
偏重力矩
t螺钉间距mm
螺钉承受的拉力N
工作载荷N
预紧力N
转动缸起动角度
转动缸转动角速度
22
长春工业大学学士学位论文
1绪论
1.1前言
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。
机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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，未来可能涉及到更多的领域。
工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。
他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间，在高科技领域有着美好的前景。
械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：
其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率。
因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。
尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。
在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。
自由度是机械手设计的关键参数。
自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
一般专用机械手有2～3个自由度。
控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。
同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。
控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。
1.2工业机械手的简史
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，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品
机械手首先是从美国开始研制的。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人。
作为机器人产品最早的实用机型（示教再现）是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人主要由类似人的手和臂组成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
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，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，1979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。
1976年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（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。
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（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。
随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃。
1.3工业机械手在生产中的应用
机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。
机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。
在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。
各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。
可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。
据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。
从这里可以看出，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。
目前在我国机械手常用于完成的工作有：
注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。
本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。
下面具体说明机械手在工业方面的应用。
1.3.1建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线
一般都采用机械手在机床之间传递零件。
国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。
加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。
1.3.2在实现单机自动化方面
各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。
目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。
由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。
如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。
目前机械手在冲床上应用有两个方面：
一是160t以上的冲床用机械手的较多。
如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。
1.3.3铸、锻、焊热处理等热加工方面
模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。
上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.4机械手的组成
工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.4.1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。
1.4.2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。
1.4.3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。
1.5工业机械手的发展趋势
（1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械结构向模块化、可重构化发展。
例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:
由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
（3）工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:
大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
（5）虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
（6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
（7）机器人化机械开始兴起。
从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。
我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。
但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:
可靠性低于国外产品:
机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。
以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。
因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。
其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:
在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。
但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行
列之中。
1.6本文主要研究内容
通过学习机械手的工作原理，熟悉了搬运机械手的运动机理。
在此基础上，确定了搬运机械手的基本系统结构，对搬运机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。
掌握了机械仿真模拟的一般过程。
进而运用ADAMS软件对机械手的手部及升降机构作了运动仿真分析。
1.7本章小结
本章简要的介绍了机械手的基本概念。
在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。
比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。
2机械手的总体设计方案
2机械手的总体设计方案
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。
2.1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
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