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1、学号 200XXXXXXX 密级_XXXXXXXXXX本科毕业论文多自由度机械手的虚拟样机设计院（系）名 称：XXXXXXXXXX专 业 名 称 ：机械设计制造及其自动化学 生 姓 名 ：XXX指 导 教 师 ：XXXX 二一三年五月郑 重 声 明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期：摘要机械手是最早出现的工业机器人，也是
2、最早出现的现代机器人，有长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。机械手涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。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。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。本文将设计一台六自由度的机械手，主要对机械手进行结构，重点设计机械手夹持部位和大臂的传动。本次设计的机械手主要是用于教学。关键词：机械手，结构设计，传动，教学AbstractManipulator is the first industri
3、al robots, as well as the first modern robot, there is long time continuous operation, high accuracy and ability to resist bad environment, it can be hard work instead of people to achieve the mechanization and automation of production.Manipulator involving computer science, mechanics, electronics,
4、automatic control, artificial intelligence, and other aspects of the discipline, it represents the highest achievement of electromechanical integration. It is one of the important production industry and the industry and service facilities, is an indispensable automation equipment of the advanced ma
5、nufacturing technology. Today, the manipulator has been applied to various fields, especially in the case of assembly operations.This paper will design the main structure of the six degrees freedom manipulator, the key design of manipulator clamping part and the big arm drive. The design of the mani
6、pulator is mainly used in the teaching.Keywords: mechanical, structural design, transmission, teaching目 录Abstract3目 录4第1章 绪论511机械手概述51.2机械手的组成和分类51.2.2机械手的分类81.3机械手市场前景101.4机械手的发展趋势10第2章 机械手的总体整体设计方案132.1设计任务书132.1.1设计的目标132.1.2技术要求132.2机械手总体设计中总体方案的论证132.3 机械手机械传动原理142.4整体方案设计152.41初拟设计方案152.42 最终设
7、计效果图162.43 机械手各关节结构图17第3章 结构设计与计算233.1机械结构的部分计算233.2传动零件设计计算253.2.1 I轴齿轮传动强度设计253.2.2 II轴齿轮传动强度设计323.2.3 III轴齿轮传动强度设计37结论46参考文献47致 谢48附录49第1章 绪论11机械手概述机械手由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机械手技术是综合了计算机
8、、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手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各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化
9、设备.在生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，机械手能够独立的按程序控制实现重复操作。适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在
10、不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2机械手的组成和分类1.2.1 机械手的组成机械手主要由控制系统、驱动系统、执行机构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1-2所示。图1-2机械手的组成方框图1. 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
11、生故障时即发出报警信号。2.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，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动。3.执行机构执行机构包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。（1）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部。夹持式手部由手指(或手爪)和传动机构所构成。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，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹
12、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。而传动机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传动机构型式较多，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。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零
13、件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式.（2）手腕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)。（3）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
14、源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和V形槽、燕尾槽等导向型式。（4）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。机械手的立住通常是固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。（5）行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，
15、或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。（6）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上，故起支撑和连接的作用。 4.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，并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机械手的分类目前，我国对机械手尚无统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能、使用范围和驱动方式来分。1按规格（所搬运的工件重量）分类（1）微型的搬运重量在1kg以下。（2）小型的搬运重量在10kg以下。（3）中型的搬运重量在50kg以下。（4）大型的搬运重量在500kg以下。目前大多数工业机械手能搬运的重量为1-30kg。最小的为0.5kg，最大的已达800kg。2按功能分类（1）简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程
