自动控制机械手结构设计学士学位论文.docx

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自动控制机械手结构设计学士学位论文

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常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：

机电工程系

专业：

机电一体化

班号：

机电122

学生姓名：

胡世贺

学生学号：

1204053228

设计（论文）题目：

自动控制机械手结构设计

指导教师：

宫亚梅

设计地点：

常州信息职业技术学院

起迄日期：

2014年6月-10月

毕业设计（论文）任务书

专业机电一体化班级机电122姓名胡世贺

一、课题名称：

自动控制机械手结构设计

二、主要技术指标：

（1）机械手的抓取物体450g夹取距离30mm

（2）手臂行程400mm

（3）转台角度100°

（4）机械手手臂结构和尺寸满足机械手完成作业所需的工作空间

（5）机座要承受机械手全部工作载荷，应保证足够的刚度、强度

三、工作内容和要求：

（1）合理选择机械手的结构

（2）机械手的各零件图及装配图的绘制

（3）完成机械手的三维成型设计

四、主要参考文献：

（1）苏沛群.液压与气动技术[M].电子科技大学出版社.2008

（2）史新民、高飞.常用机构与零件设计[M].清华大学出版.2009

（3）张柱香.机电类专业毕业设计指南[M].北京机械工业出版社.2003

（4）李正吾等.机电一体化技术及其应用[M].机械工业出版社.1990

（5）刘海兰、李小平.机械识图与制图[M].清华大学出版社.2009

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

自动控制机械手结构设计

一、选题的背景和意义：

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，是工业机器人的一个重要分支。

它的特点是可通过预先设定的程序来完成各种动作，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。

机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在各领域有着广阔的发展前景特别是在基础工业领域。

而在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，已迅速发殿起来的一门新兴的技术。

工业机械手的发展，是现代工业机械化和自动化的有机结合。

因此对工业机械手的研究也成为一门新型学科在社会推广开来。

二、课题研究的主要内容：

根据课题要求，需要完成以下几项内容：

1.简要介绍工业机械手的相关知识。

2.根据要求计算机械手臂的全部工作载荷，以保证足够的刚度、强度。

2.完成机械手臂机构和尺寸的所有图纸。

4.用三维软件做出机械人的模型。

三、主要研究（设计）方法论述：

通过查阅资料，总结工业机械手的工作特点，并介绍机械手的相关知识，然后查阅机械制造原理手册，计算机械手臂的载荷，然后通过Autodeskcad完成机械手中各零件机构的二维图纸，最后利用Inventor完成机械手的三维建模。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

6.1-6.5

下达任务书

6.5-6.12

完成开题报告

6.14-6.27

将所用书籍资料收集

6.28-8.30

确定对毕业设计的思路、方向和方法

8.30-9.30

通过计算确定对机械手各部分的尺寸

9.31-10.20

利用计算尺寸，完成机械手的二维图

10.21-10.27

利用机械手二维图纸及装配图纸，完成三维建模

10.28-10.30

完成初稿

11.1-11.3

根据老师意见修改初稿，完成终稿

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

自动控制机械手结构设计

目录

摘要II

AbstractIII

第一章绪论1

1.1机械手的发展1

1.2机械手的分类1

1.3机械手的组成2

1.4机械手的技术参数3

第二章机械手的设计要求及尺寸计算5

2.1机械手的抓取手指设计要求及尺寸计算5

2.2机械手手臂的设计要求及尺寸计算6

2.3机械手机身的设计要求及尺寸计算7

2.4机械手转台设计要求及尺寸计算8

第三章机械手的零件图纸及装配图10

3.1机械手腕零件图10

3.2机械手臂零件图10

3.3机械手机身与连接部分零件图11

3.4机械手转台及底座图纸13

3.5机械手装配图14

第四章机械手的三维成型16

4.1机械手的手腕三维成型16

4.2机械手手臂三维成型16

4.3机械手的机身三维成型17

4.4机械手的连杆三维成型17

4.5机械手的连接块三维成型18

4.6机械手的转台三维成型18

4.7机械手的整体三维成型19

第五章结束语20

参考文献21

答谢辞22

摘要

本设计中研究的是一个三自由度的机械手，文中首先介绍了机械手的分类组成，描述了机械手对现在工业的应用及影响。

设计中将对机械手的机械机构进行分析，并根据要求计算机械手各部件的受力力矩，进而选择合理的部件尺寸，然后根据尺寸绘制二维图纸，并根据二维图纸内容，用三维软件对机械手各零件进行三维建模，然后装配形成机械手实体模型。

关键词：

机械手；三自由度；三维建模

Abstract

Thedesigninthisthesisisathreedegreeoffreedommanipulator,thispaperfirstintroducestheclassificationofcompositiononthemechanicalhand,describedthemanipulatoronuseandeffectofindustrynow.Mechanismofmanipulatormechanicaldesignwillbeanalyzed,forcemomentandcalculatethemechanicalhandeachcomponentaccordingtotherequirement,andthenchoosethereasonablesizeofthecomponents,thenaccordingtothesizeofdrawingtwo-dimensionaldrawings,andaccordingtothecontentof2Ddrawings,3Dmodelingforeverypartofthemanipulatorby3Dsoftware,andthenassembledtoformthemanipulatorentitymodel.

Keywords：

Manipulator；Threedegreeoffreedom；3dmodeling.

第一章绪论

1.1机械手的发展

工业机械手是近几十年来发展起来的一种高科技自动化生产设备，是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，是机器人的一个重要分支。

它对提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

工业机械手技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

机械手在工业领域应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。

其工作并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

而在传统的人工取物的过程中，因为长时间单一操作易产生疲劳及消极情绪，而且人无法长时间工作，但这些问题工业机械手却可以解决。

本设计中，连接块与手臂采用螺纹连接，并且螺纹杆与连接块独立开来，不仅解决了抓取物体时的前进精度问题，同时保证了手臂的回转动作。

1.2机械手的分类

工业机械手的种类繁多，在国内暂无明确系统分类，一般情况下可以通过下面三种方式进行区分。

1.从用途上面可分为两类

专用机械手：

是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。

通用机械手：

它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。

通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种.简易型以“开一关”式控制定位可以实现连续轨控制，伺服型通用机械手属于数控类型。

2.按驱动方式可分为四类

液压传动机械手：

液压驱动系统运动平稳，且负载能力强，对于重载的搬运和零件加工机械人，采用液压驱动比较合理。

但液压驱动存在管道复杂，清洁困难的缺点，因此，它在装配作业中的应用受到限制。

气压传动机械手：

气压驱动机械手结构简单、动作迅速、价格低廉，但由于空气具有可压缩性，其工作速度稳定性较差，但是也由于空气的可压缩性，可使得手爪（末端操作器）在抓取物体或将其卡紧时的顺应性提高，防止了受力过大而造成被抓物体或手爪本身的损坏。

气压系统的压力一般为0.7MPa，因此抓取力小。

机械传动机械手：

即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

电力传动机械手：

电气驱动系统是工业机械手中应用的最普遍的，一般可分为步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机三种。

早期一般采用步进电动机驱动，后来发展成直流伺服电动机，而现在交流伺服电动机也开始广泛应用。

3.按机械手的应用领域分为三大类

产业用机械手：

按照服务产业种类的不同，产业用机械手可分为工业机械手、农业机械手、和医疗机械手等。

而本设计主要研究对象是工业机械手，工业机械手按照用途分：

搬运机械手、焊接机械手、装配机械手、检测机械手等。

极限作业机械手：

此类机械手是指应用于人们难以进入的极限环境，如果核发电站、宇宙空间、海底等特殊环境中工作，完成作业任务的机械手。

服务性机械手：

是指用于非制造业并服务于人类的各种先进机械手，如医疗公司，餐饮行业等。

1.3机械手的组成

机械手的组成包括控制系统，驱动系统，执行机构，感知系统，如图1-1所示：

图1-1机械手组成框图

1.执行机构：

手部、手腕、手臂、转台和底座

手：

既是末端操作器，一般可分为夹持式和吸附式。

夹持式一般是指有手爪和传力机构，手爪则与物体直接接触，传力机构通过手爪施加夹紧力来完成夹紧工件的任务，而吸附式通过手指将物件夹正，然后通过手心吸盘将物件吸附。

手腕：

是连接手部与手臂的机构，可以通过手腕调整手部方位，更方便抓取物品。

手臂：

起着连接与承受外力的作用，一般可以进行三个动作：

旋转，伸缩，升降。

通常由驱动部件如油缸、气缸、齿轮、连杆机构与驱动源配置如液压缸、气压缸、伺服电机等组成。

转台和底座：

两者在机械手中通常起支撑作用，手臂的旋转，升降与底座有很大的关系，底座则主要是支撑作用。

2.驱动系统

驱动系统主要是指驱动机械系统工作的驱动装置。

根据驱动源的不同，驱动系统可分为电气、液压、气动、机械传动四大驱动系统，现在已经出现将四种结合起来应用的综合系统