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1、目录1 绪论 . 11.1 工业机械手的概述 . 11.2 机械手的组成及分类 . 11.2.1机械手的组成 . 11.2.2 机械手的分类. 31.3 国内外发展状况. 41.4 课题主要任务 . 52 机械手的设计方案 . 62.1 机械手的座标型式与自由度 . 62.2 机械手的手部结构方案设计. 72.3 机械手的手臂结构方案设计. 72.4 机械手的主要参数. 72.5 机械手的技术参数列表. 83 手部结构的设计 . 93.1 夹持式手部结构 . 93.1.1手指的形状和分类 . 93.1.2设计时考虑的几个问题 103.1.3手部夹紧气缸的设计 104 手臂伸缩，升降，回转气缸的
2、尺寸设计与校核 134.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 134.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 134.1.2 尺寸校核 144.1.3.导向装置 144.1.4 平衡装置 154.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 154.2.1 尺寸设计 154.2.2 尺寸校核 154.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 164.3.1 尺寸设计 164.3.2 尺寸校核 165 结论 17致谢 18参考文献 19中国地质大学长城学院2012 届毕业设计1 1 绪论1.1 工业机械手的概述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生活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
3、种各样的机械装备，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标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。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。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可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。在现代生
4、产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。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，是一门跨学科综合技术。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， 它有多自由度， 可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
5、1.2 机械手的组成及分类1.2.1 机械手 的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图1 所示中国地质大学长城学院2012 届毕业设计2 图 1 各系统之间的关系执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。手部：即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指( 或手爪 )和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易， 故应用较广泛。 平移型应用较少， 其原因是结构比较复杂， 但平移型手指夹持圆形零件时
6、，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位( 是外廓或是内孔 ) 和物件的重量及尺寸。 常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 : 手指有外夹式和内撑式 ; 指数有 双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有: 滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。手腕：是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位( 即姿势) 手臂：手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定
7、的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等) 与驱动源 ( 如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。立柱：立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降( 或俯 仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。机座：机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座中国地质大学长城学院2012 届毕业设计3 上，故起支撑和连接的作用。驱动系统 : 驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液
8、压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位( 或机械挡块定位 ) 系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间) ，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。控制系统 : 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位( 或机械挡块定位 ) 系统组成。控制系统有电气控制和 射流控制两
9、种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 ( 如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间) ，同时按其控制系统的信息对执行机构指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置 : 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置 . 1.2.2 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。按驱动装置的动力源，机械手可分为以下的几种：（1）液压式机械手。这种机械手的驱动系统通常由液动机
10、（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成，这种机器人通常具有很大的抓举能力并且结构紧凑，动作平稳，耐冲击、耐振动，防爆性好，但对制造精度和密封性能要求很高，否则易发生漏油而污染环境。（2）气压式机械手。其驱动系统通常采用通常汽缸、气阀、气罐和空压机组成。特点是气源方便，动作迅速，结构简单、造价较低、维修方便，但难于进行速度控制，并因气压不能太高，固抓举能力较小。（3）电动式机械手。电力驱动是目前机械手使用的最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，可以采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机。由于电机速度高，通
11、常还须采用减速机构（如谐波减速机构、论析减速机构、滚珠丝杠和多杆机构）。目前也有一些特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。其他还有采用混合驱动的机械手，如液-气混合驱 动机械手或电-气混合驱动机械手。机械手按用途可分为下列几种：搬运机械手 ; 喷涂机械手 ; 焊接机械手 ; 装配机械手 ; 中国地质大学长城学院2012 届毕业设计4 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。 操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。图 2 机械手的类型操作机本身的自由度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机械手可分为4 自由度
12、、 5 自由度、 6 自由度。1.3 国内外发展状况国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势: (1) 工业机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ，而单机价格不断下降，平均单机价格从91 年的 10.3 万美元降至 97 年的 65万美元。(2) 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化 : 由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机; 国外已有模块化装配机器人产品问市。(3) 工业机器人控制系统向基于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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构: 大大提高了系统的
13、可靠性、易操作性和可维修性。(4) 机器人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，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器， 而遥控机器人则采用视觉、 声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制; 多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。中国地质大学长城学院2012 届毕业设计5 (5) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控
14、遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7) 机器人化机械开始兴起。从94 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已 成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人 ; 其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30 条自动喷漆生产
15、线 ( 站) 上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如 : 可靠性低于国外产品 : 机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距 ; 在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200 台， 约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块
16、化设计，积极推进产业化进程. 我国的智能机器人和特种机器人在“ 863” 计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无 缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种: 在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.4 课题主要任务本课题将要完成的主要任务如下: （1）四自由度气动机械手的总体设计（2）手部结构方案的设计（3）手臂伸缩气缸的设计与校核（4）手臂回转气缸的设计与校核（5）重要零件的设计进行四自由度多用途气动机器手结构设计，整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂回转、手臂升降、手部的回转。中国地质大学长城学院2012 届毕业设计6 2
