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机械手毕业设计论文

摘要

在当今大规模的制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用。

工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的工业自动化水平。

目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取试教在线的方式。

本文通过分析现代机械手的作用，发展简史，组成（包括执行机构，驱动机构，控制系统），全面详尽地讨论了直角坐标机械手的手部，腕部，手臂以及机身等主要部件的结构设计，其中包括机械部分的零部件，比如滚珠丝杠，联轴器，单轴驱动器的使用条件，种类选型，设计基本要求，优点特点分析，结构设计，基本参数的选定，计算与校核，以及安全性的分析。

还有控制部分的各电机的马达型号，种类，简介，控制步骤分析，部分控制程序的编写，运行特性分析，基本参数的计算和校核。

最终实现的目标包括：

实现步进电机的开环控制，通过手臂的执行机构实现空间任意位置的抓取，实现手部快速，有效的抓取物体，有良好的传感和限位功能使每个自由度上的运停快速，准确。

做到尽量体积小，重量轻，功耗低，维护方便，外形美观，动作灵敏，传动平稳，程序简洁，运行误差小等优点。

关键词：

机械手，滚珠丝杠，单轴驱动器，步进电机，手臂，手部，直角坐标

ThedesignoftheCartesiancoordinatemanipulator

ABSTRACT

Intoday'slarge-scalemanufacturing,theenterprisetoimproveproductionefficiencyandensureproductquality,universalattentionproductionprocessautomationdegree,manipulatorasanimportantmemberofautomaticproductionline,graduallybyenterpriseandtheuseofidentity.Industrialrobottechnologylevelandapplicationdegreetoacertainextentreflectanationofindustrialautomationlevel.Currently,themanipulatormainbearthewelding,painting,handlingandstorage,andtheintensityoflaborgreatimportanceofthework,workwaytotrytoteachthegeneralwayonline.

ThisarticleelaboratesthestructuredesignofthemajorpartsoftheCartesiancoordinatemanipulator,suchashand,wrist,armandthemachinebody.Inwhichincludesdesigningthecomponentsofthemechanicalpart.Suchasballscrews,coupling,singleaxisactuator,mainlydescribingtheusecondition,typeselection,basicrequirementofdesign,analysisofthestrongpoint,characteristic,calculateandproofreadthebasicparameter,analysisofsecurity.Besides,italsoincludesdesigningofthecontrolpart.Suchasthemotormodel,kind,briefintroduction,analysisofthecontrolsteps,compilecontrolprocedurepartly,analysisofthemotioncharacteristic,designate,calculateandproofreadthebasicparameter.

Thetargetwhichshouldbeterminallyrealizeincluding:

achievingtheopenloopcontrolofthestepmotor,achievinggrabbingobjectinspacearbitrarilypositionbytheactuatorofthearm.Realizinggrabbingobjectbyhandquickly,effectively.Possessingthegoodfunctionofsenseandlimitingposition,whichmakesthemotionandstopquicklyandprecisely.Realizingthemeritsincludingsmallvolume,lightweight,lowpowerdissipation,easymaintenance,beautifulappearance,sensitiveaction,smoothtransmission,succinctprocedure,operationinsmallerror.

Keywords:

manipulator,ballscrews,singleaxisactuator,stepmotor,arm,hand,Cartesiancoordinate

简易小型直角坐标机械手设计

0引言

0.1机械手的简介

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。

机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。

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，工业机械手的工业机器人的一个重要分支，它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务，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，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。

机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复和劳动，不知疲劳，不惧危险，抓举重物的力量比人手大的特点，因此机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。

机器人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，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

机械手技术涉及到力学，机械学，电气液压技术，自动控制技术，传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨多种学科的综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

0.2工业机械手的作用

机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下一些方面。

0.2.1建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传送工件。

国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机轴加工自动线（轴类），上海拖拉机齿轮厂的齿柸加工自动线（盘类）等。

加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气缸盖加工自动线转位机械手。

0.2.2在实现单机自动化方面

（1）各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。

目前，机械手在这方面应用最多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二机床厂的自动循环液压仿形车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚齿花键机床机械手等。

由于这方面使用已有成熟的经验，国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手，或为用户自行安装机械手提供条件。

（2）注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工件，可实现全自动生产。

（3）冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。

目前机械手在冲床上应用有两个方面：

一是160t以上的冲床用机械手的较多。

如沈阳低压开关厂200t冲床磁力起动器壳体下料机械手和天津拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位冲床）和天津二轻局技术研究所制作的12t和40t多工位冲床机械手等。

0.2.3铸、锻、焊、热处理等加工方面

在模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定夹角布置在炉前，实现进出料自动化。

上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。

总的来说，工业机械手满足了社会生产的需要，其特点是：

对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人体有害的场所，机械手不受影响，只要跟据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以在异常的高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。

（1）为了谋求操作安全和彻底防止公害，在工伤事故多的工种，如冲压、压铸、热处理、钢造、喷漆以及有强烈紫外线照射的电弧焊接等作业中，推广工业机械手或机器人。

（2）由于机械手的动作准确，因为可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避免人为的操作错误。

（3）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和延伸人得功能。

人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。

（4）机械手特别是通用工业机械手的通用性，灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性生产的需要。

这是因为机械手动作程序和运动位置（或轨迹）能够十分灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。

（5）采用机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。

0.3机械手的分类

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

0.3.1按用途分

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、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。

在性能范围内，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。

通用机械手的工作范围大、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。

0.3.2按驱动方式分

（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、结构紧凑、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。

若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，成本高。

（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:

介质李源极为方便，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。

（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，但结构大，动作程序不可变。

（4）电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、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，故机械结构简单。

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，但有发展前途。

0.3.3机械手的组成

图0.1工业机械手的组成框图

图0.2单轴工业机械手示意图

机械手手臂：

手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物体，并按预定要求将其搬运到给定的位置。

手臂有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线），圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转），球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。

直角坐标占空间大，工作范围小，惯性小，所以一般不多用，只有在自由度数较少时用之。

圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。

球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围较大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构较复杂，所以也不多用。

机械手手腕：

手腕是操作机的小臂（上臂）和末端执行器（手爪）之间的连接部件。

其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。

故手腕也称作机器人的姿态机构。

机械手手部：

手部它具有人手某种单一动作的功能。

由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。

手指是直接与物件接触的机构。

常用的手指运动形式有回转型和平移型。

0.3.4机械手的设计目的

工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程（机电一体化）等专业的一个重要的教学环节，是学完技术基础课程及有关专业课以后的一次专业课程的综合设计。

通过设计提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构设计的能力、机电一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。

通过这一教学环节要求可以达到：

（1）通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术、自动控制理论、测试技术、数控技术、微型计算机原理及应用、自动机械设计等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以应用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。

因此，工业机械手设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。

（2）工业机械手设计是机械设计及制造专业和机械电子工程专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。

通过设计，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好基础。

0.3.5本文研究范围

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了单轴机械手的运动机理。

在此基础上，确定了单轴机械手的基本系统结构，对单轴机械手的运动进行了简单的分析，完成了单轴机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。

0.3.6机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。

1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：

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，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。

商名为Unimate（即万能自动）。

运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。

不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。

同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

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

虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-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，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。

如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。

准备把故障前平均时间（注：

故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。

它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

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。

德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。

自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。

据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。

1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。

1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。

其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。

具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。

智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。

截止1979年，机械手累计产量达56900台。

在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。

使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。

预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。

研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。

目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS（FlexibleManufacturingsystem）和柔性制造单元（FlexibleManufacturingCell）中重要一环。

0.3.7机械手的发展趋势

现在工业机械手的应用简况：

在现在工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。

化工等连续性生产过程已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。

因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

有资料统计：

美国偏重于毛坯的生产。

日本偏重于机械加工。

随着机械手技术的发展，应用的对象还有所改变。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

国内机械手工业，铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料。

减轻工人的劳动强度。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。

并和机床组合成一个综合的数控系统。

采用机械手进行装配更是现在研究的重点，国外已研究采用摄像机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。

目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能对所抓取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确地夹持工件，进而精确地在机器中定位、定向。

为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和法、分辨形状不同的零件，它有视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工作。

为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物体滑落下来，一般采用两种方法：

一是检测把握物体手臂的变形，以决定适当的握力；另一种是直接检测指部与物体的滑动位移，来修正握力。

因此，这种机械手就具有以下几个方面的性能：

（1）能准确地抓住方位变化的物体。

（2）能判断对象的重量。

（3）能自动避开障碍物。

（4）抓空或抓力不足时能检测出来。

这种具有感知能力并能对感知的信息作出反应的工业机械手称为智能机械手，它是具有发展前途的。

现在，工业机械手的使用范围只限于在简单的操作方面节省人力，其效用是代替人从事繁重的工作和危险地工作，在恶劣的环境下尤其明显。

至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。

虽然这些工业部门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于一小部分工序。

其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。

另外经济性问题当然也很重要，采用机械手来节约人力从经济上看不一定总是合算的。

然而，利用机械手或类似机械设备节省人力和实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。

1直角坐标机械手的总体设计方案

本课题是直角坐标机械手的设计。

本设计的主要任务是完成机械手的结构以及传动方面的设计。

1.1机械手的主要部件及运动

本设计机械手主要由4大部件组成：

（1）手腕，通过L型弯铁一部分连接在Z轴的单轴驱动器上的工作台上，另一部分连接安装电磁铁。

（2）手臂，采用单轴驱动器在头部安装上联轴器，再使滚珠丝杠与联轴器连接，并与工作台连接，然后通过螺纹连接用衔接板把相邻轴上的一个单轴驱动器的工作台与另一个驱动器的底座连接起来（本处使用沉孔式十字头螺钉和圆头式十字头螺钉），再通过两相步进电机做控制装置，从而把电机的旋转运动通过丝杠螺母转换为工作台的直线运动。

（3）手掌与手指，采用简单的电磁铁。

（4）机身，采用铝合金型材，再用螺栓连接衔接板让它与X轴的驱动器连接起来，然后，设计两个门字型的机架，把铝合金型材与三个驱动器挂上去。

1.2原始数据（主要