机械手课程设计.docx

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机械手课程设计

摘要

机电一体化是当前制造行业的发展趋势，机器人等机电一体化产品在工业、农业等行业有着广泛的应用，并逐渐的改变人们的生活。

本文对机电一体化中的一个产品：

三自由度机械手进行分析。

首先对机电一体化技术进行简单的了解，其次对实验室拼装的三自由度机械手进行功能的分析及介绍。

接下来，对三自由度机械手德尔的么原理、结构、控制方式等进行详细地分析，并绘制其三维图。

最后完成对其的整体分析。

三自由度机械手具有自动化、效率高等特点，在电镀生产线等方面应用十分广泛。

关键词：

机电一体化、三自由度机械手、UG

目录

摘要

1、机电一体化技术1

1.1机电一体化技术的定义和内容1

1.2机电一体化系统组成1

2、三自由度机械手的原理与功能2

2.1机械手的系统组成2

2.2机械手的主要成分2

2.3各机构的功能4

2.4机器人的位移、速度、方向的控制方法6

3、个人工作部分和思路7

3.1工作部分7

3.2思路7

总结10

1、机电一体化技术

1.1机电一体化技术的定义和内容

机电一体化技术综合应用了机械技术、计算机与信息技术、系统技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术,接口技术及系统总体技术等群体技术,从系统的观点出发,根据系统功能目标和优化组织结构目标,以智能、动力、结构、运动和感知等组成要素为基础,对各组成要素及相互之间的信息处理、接口耦合、运动传递、物质运动、能量变换机理进行研究,使得整个系统有机结合与综合集成,并在系统程序和微电子电路的有序信息流控制下,形成物质和能量的有规则运动,在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。

1.2机电一体化系统组成

1.机械本体

机械本体包括机架、机械连接、机械传动等，它是机电一体化的基础，起着支撑系统中其他功能单元、传递运动和动力的作用。

2.检测传感部分

检测传感部分包括各种传感器及其信号检测电路，其作用就是检测机电一体化系统工作过程中本身和外界环境有关参量的变化，并将信息传递给电子控制单元，电子控制单元根据检查到的信息向执行器发出相应的控制。

3.电子控制单元

电子控制单元是机电一体化系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行。

4.执行器

执行器的作用是根据电子控制单元的指令驱动机械部件的运动。

执行器是运动部件，通常采用电力驱动、气压驱动和液压驱动等几种方式。

5.动力源

动力源是机电一体化产品能量供应部分，是按照系统控制要求向机械系统提供能量和动力使系统正常运行。

提供能量的方式包括电能、气能和液压能。

2、三自由度机械手的原理与功能

如图2.1所示，该机器人为三自由度机械手，其功能为：

机器人整体的水平旋转、垂直运动、手爪的夹紧松开运动。

由三个电机分别驱动三个自由度的运动，由一个电机控制手爪的夹紧和松开。

该机械人可通过PC对控制芯片进行编程，从而输出控制信号到各电机，驱动机械人的运动方向或行程，从而夹取或放置物件。

图2.1

2.1机械手的系统组成

1.机械本体

机架：

基座、支撑体、机械手机架

机械传动：

齿轮传动、齿轮蜗轮传动、螺旋传动、连杆传动

2.检测传感部分：

行程开关

3.电子控制单元：

PC程序及控制板

4.执行器：

电力驱动

5.动力源：

电机（电能）

2.2机械手的主要成分

1.机械手的水平旋转

该运动主要构件有电动机、减速箱、蜗杆、齿轮。

图2.2机械手基座旋转运动UG模型图

2.机械手垂直运动

该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、蜗轮齿轮传动块、连杆机构。

图2.4机械手垂直运动UG模型图

3.机械手爪夹紧与松开运动

该运动主要构件有主要运动构件有电动机、减速箱、传动轴、万向铰链、螺旋传动块、连杆机构。

图2.5机械手爪夹紧与松开运动UG模型图

2.3各机构的功能

1.机械手水平旋转运动

由电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到蜗杆，蜗杆与齿轮啮合传动，齿轮转动带动整个底座进行旋转运动。

由传感器来控制旋转的极限位置。

如下图所示，传动方式为：

控制信号→电机→减速箱→圆柱蜗杆传动→齿轮基座。

图2.6机械手基座的旋转运动机构简图

2.机械手垂直运动

由电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到蜗轮，蜗轮传动到齿轮，通过同轴杆的传动，再通过齿轮链条机构将运动传动连杆，最后经连杆机构转化为机械手的上下运动。

如下图所示，传动方式为：

控制信号→电机→减速箱→蜗轮齿轮机构→齿轮链条→连杆机构→机架。

图2.7机械手的垂直运动机构简图

3.机械手爪夹紧与松开运动

由电机输出动能，经减速箱调节速度并传递到传动轴，不同轴线的各传动杆通过万向铰链进行连接并传递动力，最近将杆件的旋转运动通过螺旋机构转化为手爪的夹紧或松开运动。

如下图所示，传动方式为：

控制信号→电机→减速箱→传动轴→万向铰链→传动轴→螺旋机构→连杆机构→手爪。

图2.8机械手爪夹紧与放松运动机构简图

2.4机器人的位移、速度、方向的控制方法

该机器人整体与控制芯片盒连接，并通过PC的程序编制与载入，将控制信号输送到电机。

其中速度控制信号通过控制电机的速度从而实现机器人的运动速度转变，并且时间控制信号将于速度控制信号配合实现机器人的运动位移量可调。

为了防止超出行程，各主要机械运动构件附近安装有限位行程开关，以限制运动的极限位置，同时也是运动的起始位置；当各运动构件运动碰到两边的限位行程开关后，机器人将停止运动。

1、机械手基座的旋转运动位移速度控制

电机接收到控制芯片的位移速度控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

动力输出轴通过蜗轮机构将动力转换为基座齿轮的转动。

躯干的理论旋转范围为0°～360°。

2、机械手的垂直运动位移速度控制

电机接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

减速箱输出动力到蜗轮齿轮机构，再通过链条齿轮机构，最后通过连杆机构转化为机械臂的上下摆动。

3、机械手爪夹紧与放松运动位移速度控制

电机接收到控制芯片的速度位移控制信号后动作，由于电机转速较高，通过减速箱的作用，调节电机转速到较低的合适量。

减速箱输出动力到传动轴，各传动轴因轴线不在同一水平线上故需通过万向铰链连接，最后传递到螺旋机构，带动连杆机构从而形成机械手爪的夹紧与松开运动。

3、个人工作部分和思路

3.1工作部分

在本次机电一体化创新项目里，我们组负责拼装的产品是三自由度机械手，在拼装过程中我们分工合作，我主要负责寻找零件，保证零件数目正确，提供拼装的前期工作服务。

在课后三维图绘制作业中，我们组将三自由度机械手根据三个自由度来进行工作安排，我主要负责机械手的垂直运动部分，由于对链条的绘制不清晰，链条用传送带代替如图3.1所示。

图3.1

该部分的结构及原理详见第一章2.3

（1）。

3.2思路

绘制机械手的垂直运动部分的三维图时，先大体绘制出机械手的简单结构，确定好各零件的位置后再进行细节部分的绘制。

在绘制简单结构过程中，第一步是定好基准，以基座为基准。

图3.2

第二步，以基座为参照物开始绘制支撑部分的整体；

图3.3

第三步，简单绘制电机、减速箱外框、机械手机架，同时通过移动等手段进行定位，确定传动零件的位置。

图3.4

第四步，绘制大型传动零件（齿轮、蜗轮）及传感器。

图3.5

第五步，绘制减速箱上的齿轮和转动轴的止滑塞。

图3.6

整体绘制完成，图见图3.1。

总结

这次的机电一体化创新项目，与之前的减速箱课程设计、装备课程设计、液压传动课程设计不同，不单单是机械结构的计算设计，而是第一次将电与机械联系在一起的课程设计。

之前的课程设计主要训练我们的结构设计、机械传动方面的知识，机电一体化让我们了解电与机械之间是怎么结合起来，从而达到工作的目的。

在实验室进行拼装中遇到许多问题，拼装手册不清晰，有时出现构件不够或者多，那时就需要很认真地检查拼装中哪里出错，这是件简单的事但也是件烦人的事。

检测过程最折磨人，机械手总是无法按我们的要求进行工作。

我们通过认真分析，查找，排除，找到故障（接线出现松动、电机接反、齿轮打滑、蜗轮齿轮传动失败），我们将故障一一解决才使机械手按照指定的动作工作。

在整个过程中，需要耐心、细心和组员的合作，才能够快速地完成。

之前课程学习了电与机械的相关知识，但是还未曾将两者联系在一起进行学习。

各学科间的综合交错运用，有助于我们全面发展这次机电一体化设计，把机械制造各方面的知识、UG使用联系起来，知识间相互融合，加深对各方面知识掌握。