机械手毕业设计论文Word格式文档下载.doc

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关键词：

气动机械手；

研究方向；

发展趋势

目录

第一章 绪论 1

1.1机械手国内外发展现状 1

1.2气动机械手的应用现状 2

1.3气动技术有以下优点 3

1.4气动机械手研究的目的、意义 4

1.5发展前景及方向 4

1.6设计时要解决的几个问题 6

1.6.1具有足够的握力（夹紧力） 6

1.6.2手指间应具有一定的开闭角 6

1.6.3保证工件准确定位 6

1.6.4具有足够的强度和刚度 6

1.6.5考虑被抓取对象的要求 7

1.7气动机械手的设计要求 7

1.8机械手的系统工作原理及组成 7

1.8.1机械手的系统工作原理框图 7

1.8.2执行机构 8

1.8.3驱动系统 9

1.8.4控制系统 9

1.8.5位置检测装置 9

第二章机械手的整体设计方案 10

2.1机械手的坐标型式与自由度 11

2.2机械手的手部结构方案设计 12

2.3机械手的手腕结构方案设计 12

2.4机械手的手臂结构方案设计 12

第三章手部结构设计以及气缸设计、校核 13

3.1手部夹紧气缸的设计 13

3.2确定气缸直径 14

3.3气缸作用力的计算及校核 14

3.4缸筒壁厚的设计 15

3.5气缸的基本组成部分及工作原理 16

3.6计算手部与工件总重量 16

第四章手臂伸缩气缸的尺寸设计与验算 17

4.1手臂部惯性力的计算 17

4.2手臂部摩擦力的计算 17

4.3手臂部驱动力 18

4.4确定气缸直径 19

4.5手臂伸缩气缸的结构和工作原理 19

4.6气缸作用力的验算（应取有杆腔的活塞面积进行计算） 20

4.7导杆弯曲应力验算 20

第五章配重的选取 21

5.1各部件重量计算 21

5.2计算偏重力臂ρ 22

5.3偏重力矩M缩偏、M伸偏 23

5.4配重的计算 23

第六章摆动气缸的计算 24

6.1手臂伸出状态时，偏重力矩ρ 24

6.2手臂的转动惯量J 24

6.3手臂摆动回转力矩的计算 24

第七章升降部分的计算 26

7.1升降气缸的选择 26

7.2升降导杆的重量 26

7.3升降导杆的校核 27

第八章机械手气动控制系统的设计 28

8.1机械手的控制要求 28

8.2气压驱动系统设计 28

结论 30

参考文献 31

附录 32

致谢 33

IV

第一章绪论

1.1机械手国内外发展现状

工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。

工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：

代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。

工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。

随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

工业机械手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于40年代的美国橡树岭国家实验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

它的结构是：

机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的；

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上，又试制成一台数控示教再现型机械手。

运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；

控制系统用磁鼓做储存装置。

不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；

同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：

该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。

虽然这2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。

从60年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation—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。

联邦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：

联邦德国Kuka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；

日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自1969年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。

我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。

1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。

从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。

这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC——PWM等等。

我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。

在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。

可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。

1.2气动机械手的应用现状

由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。

而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事工业等。

现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动；

车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；

点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。

在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。

对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；

用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手；

自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

气动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。

其主要特点是:

输出力小，气动动作迅速，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，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

1.3气动技术有以下优点

（1）介质提取和处理方便。

气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:

介质清洁，管道不易堵，不存在介质变质及补充的问题.

（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小，空气便于集中供应和远距离输送。

外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。

（3）动作迅速，反应灵敏。

气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。

气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

（4）能源可储存。

压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。

（5）工作环境适应性好。

在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。

（6）成本低廉。

由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。

传统观点认为:

由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。

此外气源工作压力较低，抓举力较小。

虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。

1.4气动机械手研究的目的、意义

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

（1）以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

（2）以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

（3）可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控