1、渤海石油職業學院畢業論文 機械手各部件設計分析 教 學 系： 機 電 工 程 系 專 業：機械制造及自動化 班 級： 2009級機械三班 姓 名： 賈 鵬 飛 指導老師： 張斌 紀武瑜 目   錄一、概述摘要.41.1選題背景.51.2設計目的.51.3發展現狀和趨勢.5二、 機械手各部件的設計分析.72.1 機械手的總體設計分析.72.1.1機械手總體結構的類型.72.2 機械手手爪結構的設計分析.72.2.1設計要求.72.2.2驅動方式.82.2.3典型結構.82.3 機械手手腕結構的設計分析.92.3.1手腕結構的設計要求.92.4 機械手手臂構的設計分析.102.

2、4.1手臂結構的設計要求.102.5 機械手腰座結構的設計分析.102.5.1腰座結構的設計要求.102.6 機械手的機械傳動機構的設計.112.6.1傳動機構設計應注意的問題.112.6.2常用的傳動機構形式.112.7機械手驅動系統的設計分析.132.7.1常用驅動系統及其特點.132.8機械手手臂的平衡機構.132.8.1平衡機構的形式.13結 論. 15致 謝.16參考文獻.17摘  要:通過對機械設計、制造及其自動化專業課程的學習，總結大學三年所學的知識，對工業機械手各部分機械結構和功能的論述和分析，以及實際操作中的應用情況，設計了一種圓柱坐標形式的數控機床上下料機械手。重

3、點針對機械手的手爪、手腕、手臂、腰座等各部分機械結構以及機械手控制系統（傳動系統、驅動系統）進行了詳細的設計。同時對其控制系統和液壓系統進行了理論分析和設計計算。基于PLC對機械手的控制系統進行了深入細致的設計，通過對機械手作業的工藝過程和控制要求的分析，設計了控制系統的硬件電路，同時編制了機械手的控制程序。設計達到了預期目標。 一 概述1.1選題背景由于工業自動化的全面發展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業自動化的需求。其中機械手是其發展過程中的重要產物之一，它不僅提

4、高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統或柔性制造單元，可以節省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規模和產業化水平低，機械手的研究和開發直接影響到我國機械行業自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考

5、慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。1.2設計目的目前，我國大多數工廠的生產線上數控機床裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產線發展成為柔性制造系統,適應現代機械行業自動化生產的要求,針對具體生產工藝,結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現加工過程的自動化和無人化。1.3發展現狀和趨勢    目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其

6、研究的現狀和大體趨勢如下：一機械結構向模塊化、可重構化發展。二工業機械手控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性，而且維修方便。三機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發展。四關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發； 五焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系

7、列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。    總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統；其二是與生產加工相聯系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業控制器，市場化、模塊化的元件。  二 機械手各部件的設計2.1機械手的總體設計2.1.1機械手總體結構的類型工業機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下：1.直角坐標機械手結構特點直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直

8、的直線運動來實現的，如圖2-1.a。由于直線運動易于實現全閉環的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于裝配作業及搬運作業。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。2.圓柱坐標機械手結構特點圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現的，如圖2-1.b。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業。3.球坐標機械手結構特點球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖2-1.c。其工作空間

9、是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業。4.關節型機械手結構特點關節型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現的，如圖2-1.d。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業。關節型機械手又分為水平關節型和垂直關節型兩種。2.2機械手手爪結構設計2.2.1設計要求手爪是用來進行操作及作業的裝置，其種類很多，根據操作及作業方式的不同，分為搬運用、加工用、測量用等。搬運用手爪是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機

10、械手附加裝置，用來進行相應的加工作業；測量用手爪是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業。機械手手爪設計有如下要求：、機械手手爪是根據機械手作業要求來設計的。既根據其應用場合設計手爪，在滿足作業要求的前提下，機械手手爪還要求體積小、重量輕、結構緊湊。、機械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結構上很復雜，甚至很難實現，從工業實際應用出發，應著重開發各種專用的、高效率的機械手手爪，加之以快速更換裝置，以實現機械手的多種作業功能，而不主張用一個萬能的手爪去完成多種作業，以考慮設計的經濟效益。、機械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不同的機械手，這就要求末端執行器要有

11、標準的機械接口（如法蘭），使末端執行器實現標準化。、機械手手爪要便于安裝和維修，易于實現計算機控制。2.2.2驅動方式一般工業機械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運動方式，可分為回轉型和移動型；按夾持方式來分，有外夾式和內撐式兩種。機械手夾持器（手爪）的驅動方式主要有三種：1.氣動驅動方式這種驅動系統是用電磁閥來控制手爪的運動方向，用氣流調節閥來調節其運動速度。由于氣動驅動系統價格較低，所以氣動夾持器在工業中應用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需要的。2.電動驅動方式電動驅動手爪應用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機

12、，并需要減速器以獲得足夠大的驅動力和力矩。電動驅動方式可實現手爪的力與位置控制。但是，這種驅動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產生火花和發熱。3.液壓驅動方式液壓驅動方式是利用液壓系統進行控制，傳動剛度大，可實現連續位置控制。2.2.3典型結構機械手手爪的典型結構有以下五種：1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。2.滑槽式手爪當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大

13、作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。4.齒輪齒條式手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。2.3機械手手腕結構的分析機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業動作。2.3.1 手腕結構的設計要求、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。、根據作業需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業的

14、適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業要求來確定。、為實現腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。、手腕各關節軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。2.4機械手手臂結構的分析2.4.1手臂結構的設計要求機械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運動本身具有一定的速度，因此，機械手手臂的設計需要遵循以下設計要求：、工作空間的形狀和大小與機

15、械手手臂的長度，手臂關節的轉動范圍有密切的關系，因此手臂尺寸設計應合理，一般滿足其工作空間即可。、為了提高機械手的運動速度與控制精度，應在保證機械手手臂有足夠強度和剛度的條件下，盡可能在結構上、材料上設法減輕手臂的重量。、應盡可能使機械手手臂各關節軸相互平行；相互垂直的軸應盡可能相交于一點，這樣可以使機械手運動學正逆運算簡化，有利于機械手的控制。、機械手各關節的軸承間隙要盡可能小，以減小機械間隙所造成的運動誤差。、為提高機械手手臂運動的響應速度、減小電機負載，機械手的手臂相對其關節回轉軸應盡可能在重量上平衡。由于液壓系統能提供很大的驅動力，因此驅動力和結構的強度都較容易實現，其關鍵在于機械手運

16、動的穩定性和剛度的設計。因此手臂液壓缸的設計原則是液壓缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。2.5機械手腰座結構的分析2.5.1腰座結構的設計要求   &#

17、160; 機械手的腰座，就是機械手的回轉基座。它是機械手的第一個回轉關節，承受了機械手的全部重量。因此在設計機械手腰座結構時，有以下設計要求：、由于腰座要承受機械手全部的重量和載荷，因此，機械手腰座的結構要有足夠大的強度和剛度，以保證其承載能力，且腰座是機械手的第一個回轉關節，它對機械手末端的運動精度影響最大，因此，在設計時要特別注意腰部軸系及傳動鏈的精度與剛度。、腰部結構要便于安裝、調整。要有可靠的定位基準面和調整機構。且腰座要安裝在足夠大的基面，以保證機械手在工作時整體安裝的穩定性。、腰部的回轉運動要有相應的驅動裝置，它包括驅動器及減速器。驅動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。、

18、為了減輕機械手運動部分的慣量，提高控制精度，要求回轉運動部分由比重較小的鋁合金材料制成，而不運動的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。2.6機械手的機械傳動機構設計2.6.1傳動機構設計應注意的問題由于傳動部件直接影響著機械手的精度、穩定性和快速響應能力，因此，在設計機械手的傳動機構時要注意以下問題：、機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。并在傳動鏈及運動副中采用間隙調整機構，以減小反向空回所造成的運動誤差。、盡量減少系統運動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消除爬行現象，增加系統壽命。、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。、選用最佳傳動比，以

19、達到提高系統分辨率、減少等效到執行元件輸出軸上的等效轉動慣量，盡可能提高加速能力。、適當的阻尼比。阻尼比越大，零件產生振動時最大振幅越小，衰減越快。但大的阻尼會使系統誤差增大，精度降低。故應采取合適的阻尼比。2.6.2常用的傳動機構形式常用的機械傳動機構主要有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。1.螺旋傳動它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變換為旋轉運動。有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機、千斤頂等；有以傳遞運動為主的，如機床工作臺的進給絲杠。2.齒輪傳動在機械手中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。齒輪傳動部件是轉矩、轉速和轉向的變換器

20、，用于伺服系統的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比必須是最佳匹配，應滿足驅動部件與負載之間的位移及轉矩、轉速的匹配要求，其輸入電動機為高轉速，低轉矩，而輸出則為低轉速，高轉矩，且系統要有為使系統穩定，不產生傳動死區，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統的穩定性，降低成本。3.鏈傳動在機械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節處。由于電機距離被傳動的腕關節較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。4.同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優點

21、的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優點，故在機械手中使用很多。足夠的剛度。同時，為保證在同一驅動功率時，其加速度響應最大，還要求其轉動慣量盡量小。為使系統穩定，不產生傳動死區，要盡量采用齒側間隙小，精度高的齒輪，并采用調整齒側間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動精度和系統的穩定性，降低成本。5.鏈傳動在機械手中鏈傳動

22、多用于腕傳動上，為了減輕機械手末端的重量，一般都將腕關節驅動電機安裝在小臂后端或大臂關節處。由于電機距離被傳動的腕關節較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。6.同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈傳動優點的一種新型傳動。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有采用承載后無彈性變形的高強力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進行傳動。其特點是傳動比準確、傳動效率高（可達98%）、節能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩，能高速傳動（可達40m/s）、傳動比可達10，結構緊湊、維護方便等優點，故在機械手中使用很多。2.7機械手驅動系統設計2.7.1常用驅動系統及其特點工業

23、常用驅動系統，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統。這三類基本驅動系統的主要特點如下。1.液壓驅動系統具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環境中工作的機械手。2.氣動驅動系統具有速度快，系統結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現伺服控制，多用于程序控制的機械手中。3.電動驅動系統具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特點。這類驅動系統不需要能量轉換，但大多數電機后面需安裝精密的傳動機構。2.8 機械手手臂的平衡機構設計直角

24、坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機械手可以通過合理布局，優化設計結構，使得手臂本身可能達到平衡。關節機械手手臂一般都需要平衡裝置，以減小驅動器的負荷，同時縮短啟動時間。2.8.1平衡機構的形式1.配重平衡機構這種平衡裝置結構簡單，平衡效果好，易于調整，工作可靠，但增加了機械手手臂的慣量與關節軸的載荷。一般在機械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機構。2.彈簧平衡機構彈簧平衡機構，機構簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應用廣泛。3.活塞推桿平衡機構活塞式平衡系統分為兩種，一是液壓平衡系統，二是氣動平衡系統。其中液壓平衡系統平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統，具有很好的阻尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，系統復雜，因