机械手各部件设计分析.docx
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机械手各部件设计分析
渤海石油职业学院毕业论文
机械手各部件设计分析
教学系：
机电工程系专业：
机械制造及自动化班级：
2009级机械三班姓名：
贾鹏飞扌旨导老师：
张斌纟纪武瑜
一、概述
摘要4
1.1选题背景5
1.2设计目的5
1.3发展现状和趋势5
二、机械手各部件的设计分析7
2.1机械手的总体设计分析7
2.1.1机械手总体结构的类型7
2.2机械手手爪结构的设计分析7
2.2.1设计要求7
2.2.2驱动方式8
2.2.3典型结构8
2.3机械手手腕结构的设计分析9
2.3.1手腕结构的设计要求9
2.4机械手手臂构的设计分析10
2.4.1手臂结构的设计要求10
2.5机械手腰座结构的设计分析10
2.5.1腰座结构的设计要求10
2.6机械手的机械传动机构的设计11
2.6.1传动机构设计应注意的问题11
2.6.2常用的传动机构形式11
2.7机械手驱动系统的设计分析13
2.7.1常用驱动系统及其特点13
2.8机械手手臂的平衡机构13
2.8.1平衡机构的形式13
结论15
致谢16
参考文献17
摘要：
：
通过对机械设计、制造及其自动化专业课程的学习，总结大学三年所学
的知识，对工业机械手各部分机械结构和功能的论述和分析，以及实际操作中的
应用情况，设计了一种圆柱坐标形式的数控机床上下料机械手。
重点针对机械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分机械结构以及机械手控制系统（传动系统、驱动系统）进行了详细的设计。
同时对其控制系统和液压系统进行了理论分析和设计计算。
基于PLC对机械手的控制系统进行了深入细致的设计，通过对机械手作业的工艺过程和控制要求的分析，设计了控制系统的硬件电路，同时编制了机械手的控制程序。
设计达到了预期目标。
概述
1.1选题背景
由于工业自动化的全面发展和科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。
单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备
生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。
其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。
在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。
目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。
把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。
但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是
十分必要的。
因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。
1.2设计目的
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动
强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。
为了提高工作效率，降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。
本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。
1.3发展现状和趋势
目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：
1.机械结构向模块化、可重构化发展。
2.工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。
3.机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。
4.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；
五•焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。
总的来说，大体是两个方向：
其一是机械手的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，性价比高，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。
二机械手各部件的设计
2.1机械手的总体设计
2.1.1机械手总体结构的类型
工业机械手的结构形式主要有四种：
直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标
结构和关节型结构。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
1.直角坐标机械手结构特点
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图
2-1.a。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手
的尺寸足够大。
直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业
及搬运作业。
直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2.圆柱坐标机械手结构特点
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如
图2-1.b。
其工作空间是一个圆柱状的空间。
这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。
3.球坐标机械手结构特点
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图
2-1.C。
其工作空间是一个类球形的空间。
这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。
4.关节型机械手结构特点
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。
相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。
此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。
关节型机械手又分为水平关节型和垂直关节型两种。
2.2机械手手爪结构设计
2.2.1设计要求
手爪是用来进行操作及作业的装置，其种类很多，根据操作及作业方式的不同，分为搬运用、加工用、测量用等。
搬运用手爪是指各种夹持装置，用来抓取或吸附被搬运的物体；加工用手爪是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的
机械手附加装置，用来进行相应的加工作业；测量用手爪是装有测量头或传感器的附加装置，用来进行测量及检验作业。
机械手手爪设计有如下要求:
1、机械手手爪是根据机械手作业要求来设计的。
既根据其应用场合设计手爪,在满足作业要求的前提下，机械手手爪还要求体积小、重量轻、结构紧凑。
2、机械手手爪的万能性与专用性是矛盾的。
万能手爪在结构上很复杂，甚至很难实现，从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机械手手爪，
加之以快速更换装置，以实现机械手的多种作业功能，而不主张用一个万能的手爪去完成多种作业，以考虑设计的经济效益。
3、机械手手爪的通用性。
通用性是指有限的手爪，可适用于不同的机械手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化。
4、机械手手爪要便于安装和维修，易于实现计算机控制
222驱动方式
一般工业机械手手爪，多为双指手爪。
按手指的运动方式，可分为回转型和移动型；按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。
机械手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种：
1.气动驱动方式
这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。
由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。
另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。
2.电动驱动方式
电动驱动手爪应用也较为广泛。
这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。
电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。
但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电机有可
能产生火花和发热。
3.液压驱动方式
液压驱动方式是利用液压系统进行控制，传动刚度大，可实现连续位置控制。
2.2.3典型结构
机械手手爪的典型结构有以下五种:
1.楔块杠杆式手爪
利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。
2.滑槽式手爪
当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。
这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。
3.连杆杠杆式手爪
在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。
通常与弹簧联合使用。
4.齿轮齿条式手爪
通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。
5.平行杠杆式手爪
采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，且比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小得多。
2.3机械手手腕结构的分析
机械手手腕是机械手操作机的最末端，与手爪相连接，它与机械手手臂配合，使手爪在空间运动，完成所需要的作业动作。
2.3.1手腕结构的设计要求
1、由于手腕安装在机械手末端，因此要求手腕设计应尽量小巧轻盈，结构紧凑。
2、根据作业需要，设计机械手手腕的自由度。
一般情况下，自由度数目愈多，腕部的灵活性愈高，对对作业的适应能力也愈强。
但自由度的增加，必然使腕部结构更复杂，控制更困难，成本也会相应增加。
因此，手腕的自由度数，应根据
实际作业要求来确定。
3、为实现腕部的通用性，要求有标准的连接法兰，以便于和不同的机械手手爪进行连接。
4、为保证工作时力的传递和运动的连贯，腕部结构要有足够的强度和刚度。
5、要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。
6、手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。
2.4机械手手臂结构的分析
2.4.1手臂结构的设计要求
机械手的手臂在工作时，要承受一定的载荷，且其运动本身具有一定的速度，因此，机械手手臂的设计需要遵循以下设计要求：
1、工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系，因此手臂尺寸设计应合理，一般满足其工作空间即可。
2、为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。
3、应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。
4、机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。
5、为提高机械手手臂运动的响应速度、减小电机负载，机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡。
由于液压系统能提供很大的驱动力，因此驱动力和结构的强度都较容易实现，其关键在于机械手运动的稳定性和刚度的设计。
因此手臂液压缸的设计原则是液压缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。
因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。
通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。
2.5机械手腰座结构的分析
2.5.1腰座结构的设计要求
机械手的腰座，就是机械手的回转基座。
它是机械手的第一个回转关节，承受了机械手的全部重量。
因此在设计机械手腰座结构时，有以下设计要求：
1、由于腰座要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手腰座的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且腰座是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度。
2、腰部结构要便于安装、调整。
要有可靠的定位基准面和调整机构。
且腰座要安装在足够大的基面，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。
3、腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及减速器。
驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
4、为了减轻机械手运动部分的惯量，提高控制精度，要求回转运动部分由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
2.6机械手的机械传动机构设计2.6.1传动机构设计应注意的问题
由于传动部件直接影响着机械手的精度、稳定性和快速响应能力，因此，在设计机械手的传动机构时要注意以下问题：
1、机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动
速度及控制精度。
并在传动链及运动副中采用间隙调整机构，以减小反向空回所
造成的运动误差。
2、尽量减少系统运动部件的静摩擦力，而正摩擦力为尽可能小的正斜率，以消除爬行现象，增加系统寿命。
3、尽量缩短传动链，提高传动与支承刚度。
4、选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。
5、适当的阻尼比。
阻尼比越大，零件产生振动时最大振幅越小，衰减越快。
但大的阻尼会使系统误差增大，精度降低。
故应采取合适的阻尼比。
2.6.2常用的传动机构形式
常用的机械传动机构主要有螺旋传动、齿轮传动、链传动、同步带传动等。
1.螺旋传动
它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。
有
传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。
2.齿轮传动
在机械手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器，用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。
齿轮传动时，齿轮传动形式及其传动比必须是最佳匹配，应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩，且系统要有为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性，降低成本。
3.链传动
在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。
由于电机距离被传动的腕关节较
远，故采用精密套筒滚子链来传动。
4.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。
为保证带和
带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。
其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10,结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。
足够的刚度。
同时，为保证在同一驱动功率时，其加速度响应最大，还要求其转动惯量尽量小。
为使系统稳定，不产生传动死区，要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮，并采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传
动精度和系统的稳定性，降低成本。
5.链传动
在机械手中链传动多用于腕传动上，为了减轻机械手末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。
由于电机距离被传动的腕关节较
远，故采用精密套筒滚子链来传动。
6.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。
为保证带和
带轮作无滑动的同步传动，在带的工作面及带轮外周上均制有采用承载后无弹性变形的高强力材料制成啮合齿，通过齿间啮合进行传动。
其特点是传动比准确、传动效率高（可达98%、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10,结构紧凑、维护方便等优点，故在机械手中使用很多。
2.7机械手驱动系统设计
2.7.1常用驱动系统及其特点
工业常用驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。
根据需要也可将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。
这三类基本驱动系统的主要特点如下。
1.液压驱动系统
具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动、精度高等特点。
适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机械手。
2.气动驱动系统
具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。
适用于中、小负荷的机械手中采用。
但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中。
3.电动驱动系统
具有使用方便，噪声较低，控制灵活等特点。
这类驱动系统不需要能量转换，但大多数电机后面需安装精密的传动机构。
2.8机械手手臂的平衡机构设计
直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机械手可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。
关节机械手手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。
2.8.1平衡机构的形式
1.配重平衡机构
这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机械手手臂的惯量与关节轴的载荷。
一般在机械手手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。
2.弹簧平衡机构
弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。
3.活塞推杆平衡机构
活塞式平衡系统分为两种，一是液压平衡系统，二是气动平衡系统。
其中液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；而气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。
活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系
统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。
用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。
本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学三年年所学知识进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手手臂的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及
专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。
机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制。
系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低。
综上，经过资料的收集、方案的选择比较和论证，到分析计算，再到工程图纸的绘制以及毕业设计论文的撰写等各个环节，我对大学四本科阶段的知识有了一个整体的深层次的理解，同时对
工程的理解更加深刻和准确。
因此，通过毕业设计实现了预期目标。
经过一段时间的努力，本次毕业设计终于完成。
在这段时间里，我运用大学所学知识，通过对本设计的论证、计算以及图纸的绘制，对大学所学知识进行了一次系统的整合，使自己的理论和实际动手能力有了很大提高。
此次毕业设计能够顺利完成，我尤其要感谢我的指导老师，还有在大学里所有的任课老师也谢谢你们，是你们给我知识，谢谢！
此外，由于个人知识能力水平有限，论文中难免有纰漏错误指出，恳请各位老师批评指正，谢谢！
参考文献
1•孙兵,赵斌,施永康•基于PLC的机械手混合驱动控制•液压与气动.2005,
（3）:
37~39
2•孙兵,赵斌,施永康.物料搬运机械手的研制.机电一体化.2005,
（2）:
43~45
3.王田苗，丑武胜.机电控制基础理论及应用.北京：
清华大学出版社，2003.
4•陈铁鸣，王连明，王黎钦.机械设计（修订版）.哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社,2003.
5.王孙安，杜海峰，任华.机械电子工程.北京：
科学出版社,2003.
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