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1、目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1引言11.2 机械手国内外研究现状11.3 工业机械手的发展趋势31.4 本课题的来源、目的意义及预期目标4第二章 传送带的设计计算62.1概述62.2永磁式低速同步电动机的选择62.3同步带传动设计计算7第三章 移位转盘机构的设计计算113.1直流电机的选择113.2齿轮传动的设计计算113.2.1齿轮传动的设计计算内容123.2.2齿面接触疲劳强度计算123.2.3弯曲疲劳强度验算163.2.4齿轮结构的设计183.3滚动轴承的选择计算183.3.1常用轴承的类型及特性183.3.2选择滚动轴承的类型的方法203.3.3滚动轴承寿
2、命的计算20第四章 四轴联动机械手设计计算224.1直流伺服电机的选择224.2步进电机的选择234.2.1应用中需要注意的几点：234.2.2步进电机的具体选择依据244.2.3混合式步进电机控制系统优缺点264.2.4 计算选择274.3滚珠丝杠螺母副的设计计算284.3.1滚珠丝杠特点284.3.2滚珠丝杠型号的选择294.3.3滚珠丝杠的支承和支承方式304.3.4滚珠丝杠的验算304.3.5滚珠丝杠螺母副间隙消除和预紧334.3.6 防护、密封与润滑及其他注意事项334.3.7联轴器的选用34总结36参考文献37致谢38第一章 绪论1.1引言机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些
3、动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由
4、度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手其实概念上有很多，一些自动化装置上，以机械结构为主，实现手部分功能，但智能控制、关节数、传感器都比较少，或干脆没有，但往往也被叫做机械手。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能
5、部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。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。1.2 机械手国内外研究现状 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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础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）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标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
6、自动公司,专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从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。联邦德国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。日本是工业机械手发展最快、应用最
7、多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。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。我国的工业机械手从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械手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，生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机械手;其中有130多台套喷漆机械手在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模
8、应用，弧焊机械手己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机械手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:机械手应用工程起步较晚，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械手约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械手产业，当前我国的机械手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、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机
9、械手和特种机械手在“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械手，6000m水下无缆机械手的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机械手、双臂协调控制机械手、爬壁机械手、管道机械手等机种:在机械手视觉、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械手、智能装配机械手、机械手化机械等的开发用方面则刚刚起步，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。1.3 工业机械手的发展趋势目前，工业机械手
10、大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，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，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环。未来发展具体方向为：1) 工业机械手性能不断提高(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。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
11、块用重组方式构造机械手整机;国外已有模块化装配机械手产品问市。 3) 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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 4) 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，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、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。 5) 虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业
12、环境中的感觉来操纵机械手。 6) 当代遥控机械手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械手的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机械手走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机械手就是这种系统成功应用的最著名实例。 1.4 本课题的来源、目的意义及预期目标本文重点对TVT-3000E中的机械手搬运系统进行设计。TVT-3000E物流系统是由机械手搬运系统单元、货物自动识别缓冲系统单元、堆垛系统单元、自动化仓库系统单元所组成。采用PC-LINK网络或HOST-LINK或PROFIBUS总线构成的现代物流控制系统。主要完成货物的装配与搬
13、运，货物的自动识别与缓冲传输，货物的堆垛以及货物的自动仓储。于是我们提出了设计物流系统中机械手搬运系统的课题，根据机械手搬运系统实际状况让学生综合运用所学的基础理论,专业知识和基本技能来设计机械手搬运系统，从而进一步实现物流的自动化。TVT-3000E由机械手装配搬运单元、货料自动识别缓冲单元、堆垛单元、自动化仓库单元共4个单元组成。其特点为每个单元自成系统，可分别单独运行，用户可根据实际需要自行选择单元进行组合，可构成9种培训系统，并具二次开发功能，标准接口可以直接与工控机I/O采集卡对接实现工控机控制系统。TVT-3000E模块化现代生产物流培训系统涵盖了PLC控制与网络技术、变频调速技术
14、、传感器检测技术、步进电机和伺服电机的控制技术、PROFIBUS总线技术、计算机监控技术以及气动技术等。作为物流培训系统，为确保人身与设备安全，该系统的硬件设计中具有漏电保护功能，短路保护功能，急停保护功能，智能诊断功能，各种限位保护功能等。由于系统的电气接线采用了具有逻辑的各种模块式接口，这样既简化了接线，节省了空间，又给系统的调试与检修带来了方便，增加了硬件的隔离保护功能，测试功能和信号连接与转换功能，便于各种故障的设置，完成各种排故的训练，同时各模块组成的单元具有硬件保护功能，如限位保护功能等。该系统还设有手动和自动转换功能，在系统的自动运行过程中，若发现负载过载或接口出错时，可将其自动
15、档切换至手动档，按动操作面板上的各种按钮，检查每一步的系统运行状态，即可方便的排除故障完成系统的调整。系统的软件设计，采用高速计数器，脉冲输出定位等完成了系统的位控功能、PWM变频调速功能、计算机监控功能和网络通信功能。该系统涵盖了PLC控制技术、变频调速技术、传感器检测技术、步进电机和交流伺服电机控制技术、网络技术、计算机监控技术以及气动技术，可实现上述工业控制各种高新技术的训练与培训。作为各类高等院校机电一体、电气自动化、机械制造、物流等专业的教学实验装置与各种职业技术学院、中专、技校技能培训的教学实习装置。根据机械手搬运系统实际状况让学生综合运用所学的基础理论，专业知识和基本技能来设计机
16、械手搬运系统，完成机械手搬运系统的结构设计和控制系统的设计，从而进一步实现物流的自动化。本课题要完成的主要目标就是设计物流系统的机械手搬运系统。第一，机械手搬运系统的结构设计，首先掌握机械手搬运系统的工作原理；然后对其机械结构进行详细设计，包括四轴联动机械手机构、货物传送带机构、货箱推出机构、货料平动机构、货料推出机构和货物移位转盘机构的结构设计。 第二，机械手搬运控制系统的设计，首先分析在整个单元的运动形式，然后确定电控系统的主要组成部分并对其电控系统进行详细设计，最后利用PLC实现对机械手搬运系统的顺序控制。第二章 传送带的设计计算2.1概述带传动是具有中间挠性件的一种传动，能够缓和载荷冲击，且运行平稳、无噪声，制
