自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计毕业设计x文档格式.docx

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目次............................................................................................................................................................III

1绪论 1

1.1前言和意义 1

1.2工业机械手的简史 1

1.3国内外研究现状和趋势 3

1.4本章小结 3

2机械手直臂部分的总体设计 4

2.1执行机构的选择 4

2.2驱动机构的选择 4

2.3传动结构的选择 5

2.4机械手的基本形式选择 6

2.5机械手直臂部分的主要部件及运动 7

2.6机械手的技术参数 8

2.8本章小结 9

3机械手手爪的三维设计 10

3.1手部设计基本要求 10

3.2典型的手部结构 10

3.3机械手手爪的设计计算 10

3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置 10

3.3.2手爪夹持范围计算 11

3.3.3滑动丝杠设计 12

3.3.4直齿轮设计 14

3.3.5电机选型 15

3.4机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图 16

3.5本章小结 18

4机械手手腕部分的三维设计 19

4.1腕部设计的基本要求 19

4.2腕部的结构以及选择 19

4.2.1典型的腕部结构 19

4.2.2腕部结构和驱动机构的选择 20

4.3腕部的设计计算 20

4.3.1蜗轮轴的设计计算 20

4.3.2蜗轮齿轮设计 22

4.3.3步进电机选型 23

4.4手腕部分出图及主要零部件出图 24

4.5本章小结 30

5直臂部分的三维设计 31

5.1手臂的结构的选择及其驱动机构 31

5.2滚珠丝杠设计 31

5.3锥齿轮设计 34

5.4电机选型 36

5.5机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图 37

5.6本章小结 40

6.总结 41

学位论文数据集........................................................................................................................................43

。

2机械手直臂部分的总体设计

2.1执行机构的选择

（1）手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。

手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。

传力机构形式较多，常用的有：

连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。

（2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，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、左右摆动、上下摆动。

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。

2.2驱动机构的选择

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,可分为以下四类：

（1）气压传动机械手

气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其特点为：

输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。

但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。

（2）液压传动机械手

是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。

输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。

但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。

（3）机械驱动机械手

它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。

其主要特点为：

运动精确，动作频率大，定位精度高。

但是结构较大，保养需求高。

（4）电气驱动机械手

它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。

运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。

但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。

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。

按照各驱动特点以及机械手的工作环境经讨论我们采用电动驱动。

2.3传动结构的选择

（1）齿轮传动机构

在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

（2）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。

故在工业机器人系统中得到广泛的应用。

谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

（3）螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。

螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；

有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；

但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。

后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%），其运动平稳性好，灵活度高。

通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；

进给精度和重复定位精度高。

使用寿命长；

而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。

由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；

因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。

（4）同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。

为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。

同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；

能吸振、噪声低、不需要润滑；

传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。

其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。

同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。

（5）钢带传动

钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。

（6）链传动

在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。

由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

（7）钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。

其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

2.4机械手的基本形式选择

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。

图2.1机械手基本形式

按照机械手的工作环境采用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比较满足设计要求。

2.5机械手直臂部分的主要部件及运动

在直角坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，关于机械手具有4个自由度即：

手爪张合；

手腕回转；

直臂升降；

横臂平移4个主要运动。

机械手主要由3个大部件和4个电机组成：

（1）手部，采用丝杆螺母结构，通过电机带动实现手抓的张合。

（2）腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部回转90°

~180°

（3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。

2.6机械手的技术参数

（1）用途：

数控机床自动上下料

（2）设计技术参数:

1、抓重:

600g（夹持式手部）

2、自由度数:

4个自由度

3、坐标型式:

直角坐标型

4、横臂手臂长度:

2180mm

5、手臂最大高度:

2769.5mm

6、手臂运动参数

升降行程：

920mm

升降速度：

167mm/s

7、手腕运动参数

回转范围:

0-180°

3.3机械手手爪的设计计算

3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置

本设计是设计抓取圆柱形物块的机械手。

常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。

本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单,适于夹持平板和圆柱类材料,且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置,其理论夹持误差为零。

通过综合考虑，本设计选择移动型手爪，采用丝杠螺母这种传动结构方式。

运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而带动手爪接触块移动，从而形成手爪的张合，当手爪抓到零件时，电机停止，手爪形成自锁，