机械手毕业设计开题报告.docx

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机械手毕业设计开题报告

简易小型直角坐标机械手

1机械手

1.1机械手的定义

机械手是模仿着人手的动作，按给定程序、轨迹和要现自动抓取、搬运或操作的机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手〞。

1.2机械手的作用

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现平安生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进展正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的应用。

机械手的构造形式开场比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的开展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，使用围比较广的“程序控制通用机械手〞，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快地改变工作程序，适用性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。

1.3机械手的分类及特点

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国尚无统一的分类标准，在此暂按使用围、驱动方式和控制系统等进展分类。

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

〔1〕专用机械手

它是附属于主机的、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、构造简单、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、下料机械手和加工中心。

〔2〕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。

在性能围，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。

通用机械手的工作围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。

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，只能是点位控制，伺服型可以是点位的，也可以实现连续控制，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。

〔1〕液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。

其主要特点是:

抓重可达几百公斤以上、传动平稳、构造紧凑、动作灵敏。

但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

假设机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，本钱高。

〔2〕气压传动机械手

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:

介质源极为方便，输出力小，气动动作迅速，构造简单，本钱低。

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构造大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进展工作。

〔3〕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。

它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。

它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。

动作频率大，但构造大，动作程序不可变。

〔4〕电力传动机械手

即有特殊构造的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械构造简单。

其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有开展前途。

1.4机械手的自由度

自由度是机械手设计的主要参数，每一个构件相对于固定坐标系所具有的独立运动称为自由度。

每一个构件相对于固定坐标系最多可以有六个自由度即沿X,Y,Z三个方向独立的往复运动和绕X,Y,Z轴的三个独立的回转运动。

按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。

手臂和立柱的运动称为主运动。

因为它能改变被抓取工件的空间位置。

手腕和手指的运动称为辅助运动。

因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位〔即姿势〕，而手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其他运动均计为自由度数。

手指可作开合〔即夹紧和放松〕运动；手腕可作回转、上下和左右摆动等运动；手臂可做前后伸缩、升降〔或上下摆动即仰俯〕和回转运动；立柱横向移动。

也有的机械手整机具有行走机构。

上述各种运动可根据机械手的需求来选择，设计机械手时首先要确定被抓取工件所在的空间位置，及将工件搬运到规定的位置时所需的运动〔不包括手指开闭动作〕，在大多数情况下是少于六个自由度的，专用机械手只有2-4个自由度，而通用机械手是3-6个自由度。

自由度数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用围也越广，但是相应地带来了技术难度大，控制系统和机械构造复杂，本钱高和维修困难。

自由度数少，通用性差，但技术上容易到达，构造简单，使用和维修均方便。

1.5坐标形式

1.5.1直角坐标式

其手臂的运动系有由三个直线运动所组成。

它的特点是构造简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。

但是由于占地面积大而工作围小以及灵活性差，限制了它的使用围。

图1.1直角坐标式

1.5.2圆柱坐标式

其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成〔沿X轴伸缩，沿Z轴的升降，和绕Z轴的回转〕，占地面积小而活动围大，构造较简单，并能到达较高的定位精度，因此应用较广泛。

但沿Z轴方向运动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。

图1.2圆柱坐标式

1.5.3球坐标式

其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成〔即沿X轴的伸缩，绕Y轴的仰俯和绕Z轴的回转〕，这种手臂仰俯去抓取地面上的物件，且常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其他状态。

这种形式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作围大等特点，它适合于沿伸缩方向向外作业的传动形式。

但手臂摆角误差会将手部中心误差放大。

图1.3球坐标式

1.5.4关节式

其手臂的运动类似人的手臂可以作几个方向的转动。

它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的仰俯，小臂的仰俯和大臂的回转。

它的特点是工作围大，动作灵活，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物体，此为其它形式的机械手不可比较的优点。

图1.4关节坐标式

1.6驱动方式

机械手的驱动方式是驱动执行机构运动的传动装置。

常用的有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。

本设计的手臂局部用步进电机驱动，步进电机的驱动运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。

为了实现这种驱动，要求有脉冲分配和功率放大功能的专门驱动电源，驱动电源和步进电机是一个有机的整体，步进电机的运行性能是电动机及其驱动电源二者配合所反映的综合效果。

环形分配器的功能是将控制脉冲按规定方式分配给步进电机；功率放大器的功能是将环形分配器的输出信号进展放大，以驱动步进电机。

手腕的驱动有液压马达、驱动电动机、交流伺服电动机、齿轮传动等。

手部的驱动有活塞杆驱动液压缸、气压缸，手指驱动电磁铁，真空吸附式手部的真空泵，真空发生器等。

液压与气压型的驱动装置的形式一般有双向作用与单相作用活塞杆式两种。

（a）双向作用缸（b）单作用缸常开式（c）单作用缸常闭式

图1.5驱动装置

1.7控制方式

有分散式顺序控制器、用继电器组成的步进式顺序控制器、

常用的逻辑部件及电路有计数器、译码器与步进器、集成脉冲电路、显示装置、步进电机的控制——脉冲分配器。

2机械手的设计

2.1手臂的设计

〔1〕滚珠丝杠

在机械手臂中采用滚珠丝杠，这是因为滚珠丝杠得摩擦力很小且运动响应速度快。

由于滚珠丝杠的螺旋槽里放置了许多滚珠，丝杠在传动过程中所受的是滚动摩擦力。

摩擦力较小，因此传动效率高，同时可消除低速运动时的爬行现象；在装配时施加一定的预紧力，可消除回差。

如下图，滚珠丝杠里的滚珠从钢套管中出来，进入经过研磨的导槽，转动2-3圈以后，返回钢套管。

滚珠丝杠的传动效率可以到达90%，所以只需要用极小的驱动力，并采用较小的驱动连接件，就能传递运动。

通常使用两个背靠背的双螺母对滚珠丝杠进展预加载，以消除丝杆和螺母之间的间隙、提高运动精度。

（2）同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链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差的同步传动，其带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，以保证带的节距不变。

它具有传动比准确、传动效率高、能吸振、噪声低、传动平稳、能高速传动、维修保养方便等优点，使用围较广。

缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，具有一定的蠕变性。

〔3〕齿轮齿条传动

通常齿条是固定不动的。

当齿轮转动时，齿轮轴连同拖板沿齿条方向做直线运动。

这样，齿轮的旋转运动就转换成拖板的直线运动。

拖板是由导杆或导轨支撑的。

该装置的回差较大。

2.1.2臂部设计要求

工业机器人的臂部由大臂、小臂〔或多臂〕所组成，一般具有2-3个自由度，即伸缩、回转、仰俯或升降。

臂部总质量较大，受力一般较复杂。

在运动时，直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，尤其高速运动时将产生较大的惯性力〔力矩〕，引起冲击，影响定位准确性。

作用是支撑手部和腕部，改变手部空间位置，局部零件的重量直接影响着臂部构造的刚度和强度。

根据运动形式，抓取自由度，运动精度要满足以下要求。

1手臂应具有足够的承载能力和刚度2导向性好3重量和转动惯量要小4运动要平稳、定位精度要高。

2.2手腕的设计

2.2.1手腕的执行方式

工业机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支撑手部的作用。

机器人一般具有6个自由度才能使手部到达目标位置和期望姿态。

为使手部能处于空间任何方向，要求手腕能实现对空间3个坐标轴X,Y,Z的转动，既具有回转、仰俯、偏转。

〔1〕单自由度手腕

有回转、仰俯、偏转、平移四种执行方式。

（一）双自由度手腕执行

〔三〕三自由度手腕执行

图六手腕执行方式

2.3手部的设计

图2.2.1手腕的自由度

（2）两、三自由度手腕

两自由度手腕和三自由度手腕主要是用单自由度手腕的这四种执行方式进展排列与组合得到的。

形式多种多样。

2.3手指的执行方式

（a）撑式

（b）外夹式

（c）平移外夹式

（d）勾托式

（e）弹簧式

（f）气吸式

（g）磁吸式

2.3.2手掌的执行方式

几种典型的手部构造

〔1〕回转型滑槽杠杆式手部构造

〔2〕筒夹涨式手部构造

〔3〕移动型齿轮齿条式手部构造

〔4〕移动型的双连杆式手部构造

2.4手臂设计的根本方案

2.4.1执行方式确实定

滚珠丝杠副

2.4.2确定传动形式

滚珠丝杠有螺母固定、丝杠转动并移动，丝杆转动、螺母移动，螺母转动、丝杠移动，丝杠固定、螺母转动并移动这四种方式。

本设计主要考虑用丝杆转动、螺母移动。

3单轴驱动器

单轴驱动器的种类主要涉及丝杠的导程，直径，和最大有效行程。

表3.1单轴驱动器的根本参数

TYPE导程（mm）丝杠直径（mm）最大有效行程（mm）

LX201/56136

LX262/58217

LX305/1010529

LX4510/2015497

每一种类中有三种形式标准型盖板型无支架型

LX系列的四大特征1滑块上设有定位孔，提高了组装性能〔仅限盖板型〕2采用精细磨削的滚珠丝杠，施加预压实现静音和高精度。

3采用连体式滑块构造降低了滑台高度，最适合省空间设计。

4底座上设有2个定位孔，提高了重复定位性能。

LX系列根据润滑分为标准润