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1、连杆杠杆式机械手的设计及运动仿真最终版连杆杠杆式机械手的设计及运动仿真最终版毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 毕业设计说明书 设计题目: 连杆杠杆式机械手的设计及运动仿真 设计编号: 学 院:机械工程学院 系 别:机电工程系 专 业:机械设计制造及其自动化 班 级:2006级,2,班 学 号: *twenty-eight 姓 名: lo 鸣 *完成日期: 年 月 日 答辩日期: 年 月 日毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 摘 要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过

2、对机械手手部分析，从而确定手部结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图，并对其进行运动仿真。 关键词 机械手;设计;手部;结构;运动仿真 I 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 Abstract In the mechanical manufacturing industry，the manipulator has been widely applied, thus workers work condition has been greatly improved, the industrial production mechanization and the auto

3、mated has realized. The manipulator hand was analyzed, and its structure was determined. On the basis, the manipulator was carried on the design calculation, and assembly drawing was determined. Finally, its kinematics simulation was progressed by software ADAMS. Key words Manipulator; Design; Hand;

4、 Structure; Kinematics simulateII 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 摘 要. I 关键词. I Abstract. II Key words. II 录. 1 目 1绪论 . 3 2 机械手设计要求. 3 3 机械手总体设计方案. 3 3.1机械手的组成 . 3 3.1.1 执行机构 . 3 3.1.2驱动机构 . 4 3.1.3控制机构 . 4 3.2机械手在生产中的作用 . 4 3.3机械手的主要特点 . 5 3.4机械手的技术发展方向 . 5 3.5机械手的运动范围 . 6 3.6 机械手的各种运动形式. 7 . 8 3.7 平面关节型夹持

5、器的设计.3.7.1 夹钳式手部的组成 . 8 3.7.2 夹钳式手部设计注意事项 . 9 3.8 机械手参数设计. 10 3.8.1原始设计参数 . 10 3.8.2夹紧力N的计算 . 10 3.8.3机械手手指部分各值的确定 . 11 3.8.4活塞杆直径的计算 . 11 3.8.5 手抓夹持范围计算 . 12 1 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 4 工程机械数字化简介. 13 4.1 概述. 13 4.2 工程机械数字化及仿真的思想、内容和特点. 13 4.3 参数化设计概念. 13 4.4 工程机械零部件参数化参数仿真设计. 14 5 UG 功能介绍. 14 5.1 引

6、言. 14 5.2 UG NX对三维模型的处理 . 14 5.2.1 UG NX的三维模型创建功能 . 14 5.2.2 UG NX建模的一般过程 . 15 5.3 利用UG绘制连杆杠杆式机械手模型. 16 6 ADAMS功能介绍 . 18 6.1 ADAMS概述 . 18 6.2 ADAMS基本功能 . 18 6.3 ADAMS和UG之间的数据转换 . 20 6.3.1ADAMS建模的相关步骤 . 20 . 216.4仿真流程图 6.5 UG模型导入ADAMS步骤 . 22 6.6 ADAMS仿真 . 22 6.6.1仿真设置 . 22 6.6.2仿真结果 . 24 7结束语 . 25 致

7、谢. 27 参考文献. 28 2 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 1绪论 工机械手设计是机械制造，机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次中和设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理论知识在实际中综合的加以应用，使这些知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力，树立正确的设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。 2 机械手设计要求 总体设计方案:确定机械手的整体结构 2)连杆杠杆式机械手的设计 1、各零部件的尺寸计算及强度计算 2、夹紧力计算 3、机械手的结构设计 3

8、)运动学仿真分析:实现机械手的整机运动仿真 1、创建机械手三维实体模型设计 2、设置模型零件的属性参数 3、机械手的运动学仿真分析 3 机械手总体设计方案 3.1机械手的组成 机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 3.1.1 执行机构 (,)手部 即直接与工件接触的部分，一般是会转型或平移型，(多为回转型，因其结构简单)，手部多为二指(也有多指)，根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气洗盘和电磁吸盘。 3 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 传力机构形式也很多，常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式、重力式。 (2)腕部

9、是联结手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。 (3)手臂 是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。 手臂运动的目的:把手部送到空间范围内任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。一次，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基

10、本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降(或俯仰)运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构(如液压缸或者气缸)和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即受腕部、手部和弓箭的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 (4)行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。 3.1.2驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧凑，控制方便。 3.1.3控制机构 在机械手控制上，有点控制和连续控

11、制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用PLC进行控制，主要控制的是坐标位置。 3.2机械手在生产中的作用 机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面: 4 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 (1)建造旋转体零件(轴类、盘类、环类)自动线。 (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，仍需人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。 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。 3

12、.3机械手的主要特点 (1)对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类有害的场所，机械和搜不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和结构，机械手就可以再异常高温或低温、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。 (2)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，并能夸大和延伸人的功能。 (3)由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。 (4)机械手通用性、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。 (5)采用机械手能明显提高劳动生产率和降低成本。 3.

13、4机械手的技术发展方向 国内外使用的实际上定位控制机械手，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，并正确的加持工件，进而精确的在机器中定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由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，判别是不5 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 是所要抓取的工件。 为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法:一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的握力，另一种是直接检测指部与物体的

14、滑落位移，来修正握力。 因此这种机械手具有以下几个方面的性能: (1)能准确的抓住方位彼岸哈的物体。 (2)能判断对象的重量。 (3)能自动劈开障碍物。 (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做出反应的工业机械手称为智能机械手，它是有发展前途的。 现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车工业和电子工业之类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，其原因之一是，工业机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很严重，利用机械手节约人力从经

15、济上看不一定总是合算的。然而利用机械手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，机械手的应用必将飞跃发展。 3.5机械手的运动范围 机械手的运动乏味，是指机械手在平面或空间的运动图形(轨迹的形状)及其大小，是机械手的主要技术参数之一。机械手所具有的活动度的数目及组合不同，则其运动图形也不同。而活动度的变化范围(即直线运动的距离和回转角度的大小)决定着运动图形的大小。 一般情况下，臂部的活动度主要是用以基本上确定手部以及工件(或工具)在空间的运动范围和位置，因此臂部的运动也称为机械手的主运动，而腕部的活动度则主要是用来调整手部以及工件(或工具)在空间的方位

16、。 臂部具有一个活动度时，运动图形仅为一直线或圆弧。具有二个活动度时，便形成平面图形或圆柱面。具有三个活动度时运动范围则从面扩大到体，称为长6 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 方体或回转体(包括圆柱体和球体)。 3.6 机械手的各种运动形式 如上所述，活动度的组合不同，机械手的运动图形也是不相同的，基本上可归纳为下列四种运动形式。 (1)直移型 这种运动形式的机械手，其臂部只具有沿直角坐标轴线作直线移动的活动度，即臂部只是作伸缩、升降和平移等运动，它的运动范围的图形可以是一条直线、一个矩形平面或一个长方体。 这种形式的机械手结构简单，运动直观性强，便于实现一定的精度要求，但其所

17、占据的空间位置大，相应的工作范围较小，因此大多采用悬挂式结构，适于在机床成行排列的生产线上作上下料和工位间传送工件只用。 (2)回转型 这种运动形式的机械手，其臂部均具有水平回转这个活动度。此活动度与臂部的伸缩和升降两个活动度组合成一个完整的会转型机械手。它的运动范围图形视其活动度的不同，可以使一圆弧曲线、一扇形平面、一圆柱面和一空心圆柱体范围。其特征轮廓为圆，特征运动为回转，因此为方便起见，称之为会转型。 会转型与直移型机械手相比，包吃了运动直观性较强的优点，同时所占空间更小，结构更紧凑，工作范围更广，是目前应用较多的一种形式。诞生，这类机械手说神将结构显示，一般不能提取地面上的工件。 (3

18、)俯仰型 这种运动型式的机械手，其臂部除了具有水平会转这个活动度外，还具有臂部俯仰这一活动度。这两个活动度与臂部伸缩活动度和成一个完整的俯仰型机械手。它的运动范围图形为一空心球体，特征运动为俯仰，为方便起见成俯仰型。通常将只具有臂部俯仰而无臂部回转活动度的机械手，称之为俯仰型，因此其结构与俯仰型接近。 俯仰型机械手与回转型相比，在占有同样大小空间的情况下，可扩大工作范围;能将臂部伸向地面，完成地面提取工件的任务。其不足之处是运动直观性差;结构较复杂;臂部有两个回转运动，它们引起的臂部的端部位置误差会随着臂部伸长而放大。 (4)屈伸型 何种运动型的机械手，臂部有大臂和小臂两部分，除了大臂具7 毕

19、业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 有水平回转和俯仰活动度外，小臂相对大臂还有一俯仰运动。从形态上看，小臂相对大臂作屈伸运动，根据此特征称之为屈伸型，它的运管的范围图形为球体。 它具有与人体上肢更类似的结构，可以再以臂部最大伸展长度为半径的球体范围内提取工件，灵活性很大;与其他类型相比，占有空间最小，工作范围最大，而且可以绕过障碍物提取工件;但其运动直观性更差，臂部前端位置是由几个转角确定的，因此要达到较高的位置精度时，需要教复杂的设计与制造。 当然，机械手的一运动型式除了上述四种基本形式外，还可以有由这些基本运动组合而成的复合型式。 3.7 平面关节型夹持器的设计 机械手的手部是用

20、来直接握持工件的部分。由于被握持的工件的形状、大小、轻重、材料性能和表面状况的不同，所以手部的结构也是多种多样的。根据我们的需要，就采用最常见的夹钳式的手部，它的动作与钢丝钳或台虎钳相似。 平面关节型夹持器的设计如图1所示。由加持辊1、夹紧杠杆2、推力杆3等部分组成(4为销连接)。当夹持轧件时，推力通过推力杆驱动夹紧杠杆，带动夹紧辊沿销旋转，直至夹紧轨件。此时夹紧辊的运动轨迹为圆弧。 图1 平面关节型夹持器 3.7.1 夹钳式手部的组成 夹钳式手部一般由以下几部分组成。 (1)手指 它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件，就是通过手指的张开与闭合来实现的。一般情况下，机械手手部只有两个手

21、指。少数为三指或8 毕业设计说明书 连杆杠杆式机械手设计及运动仿真 多指。结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。 (2)传动机构 它是想手指产地运动和力，以实现夹紧和松开动作的机构。 (3)驱动装置 它是向传动机构提供动力的装置，按驱动方式的不同有液压、气动、电动和机械之分。 此外，上有连接月支撑元件，将上述有关部分连成一个整体。 3.7.2 夹钳式手部设计注意事项 (1)手指应具有一定的开闭范围 夹钳式手部的手指开闭范围就是指从张开到闭合(夹紧)过程中每个手指位置的变动量。对于会转型手部的开闭范围，可用手指的开闭角(手指从张开到闭合绕支点所转过的角度)和手指的加紧端长度来表示;对于平移型手

22、部的开闭范围，开用手指从张开到闭合的直线移动距离来表示。 显然，为了让手指闭合时能加紧工件，张开时能顺利的接近工件，而不和其他设备等相碰，手指必须具有一定的开闭范围。范围大小直接与工件 和手指的形状、尺寸及手部接近工件的路线等有关，同时还要注意经过路线的周围环境。 手指的开闭范围，应根据使劲情况进行分析后加以确定。一般说，如果工作环境允许，采用较大的开闭范围，可减低对工件的尺寸公差、位置精度的要求，且有利于手部顺利的加持工作，但会增大驱动位置的形成和结构尺寸，增加手指开闭时间，所以手指开闭范围亦不宜设计得过大。 (2)应具有适当的夹紧力合驱动力 为了使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，

23、就要求手指在夹紧工件时应有足够的夹紧力，而对手部的驱动装置来说，应具有足够的驱动力。应当指出，在保证一定的夹紧力条件下，采用不同的传动机构，所需驱动力的大小是不同的。 多大的夹紧力才能把工件夹牢，主要由工件的重量和提取工件时手部相对于工件的方位情况来确定。同一重量的圆柱体工件，作水平或垂直安放，手部夹持它的方位不同，所需夹紧力的大小不同，需要依靠手指与工件间的摩擦力来确保工件不致脱落。不论哪种情况，工件越重，则所需要的夹紧力就越大。 除此之外，考虑夹紧力时，还应注意到工件在运动过程中由于运动状态的改变所产生的惯性力的影响，特别在运动速度变化较大的情况下尤应如此，以免在9 毕业设计说明书 连杆杠

24、杆式机械手设计及运动仿真 惯性力作用下，因夹紧力不足而松动或甩脱。当然，过大的夹紧力也是没有必要的。 (3)应保证工件在手指内的加持精度 手部夹持工件后，应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确的相对位置。这对一些有方位要求的情况更为重要，如曲拐、凸轮轴一类的复杂工件，对在机床上安装的位置有严格要求，因此机械手的手部，在夹持工件后应保持有相对的位置精度。为此，应根据工件的形状和位置要求，选用相应的手指形状和手部结构，并采用必要的措施，以保证工件在手指内的相对位置。 (4)要求结构紧凑重量轻、效率高 手部处于腕部和臂部的最前端，运动状态多变，其机构、重量和动力负荷直接影响到腕部和臂部的结构、重量和运转性能，因此在手部设计时，必须力求结构紧凑、重量轻、效率高。 此外，连杆杠杆式机械手的手指为平面指，主要取巨额于工件的形状。手指表面的光滑程度，对避免所夹持轧件表面受到损伤非常重要。手指材料的选用，对机械手的使用效果有很大的影响。