1、 毕 业 设 计 搬箱机械手结构设计 毕 业 设 计 任 务 书 搬箱机械手结构设计 题目名称 ： 搬箱机械手结构设计 任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求） 一 具体任务 1 运动功能方案设计 2 传动系 统方案 设 计 3 结构布局方案设计 4 设计参数： 纸箱尺寸 522 419 122mm 纸箱重量 5kg 最大工作半径 900mm 最大上升范围 300mm 二 时间安排 1 1-3 周 调研、撰写开题报告 2 4 周 毕 业实习 3 5-6 周 熟悉软件开发环境，确定设计方案 4 7-10 周 设计搬箱机械手，确定各零部件尺寸 5 11-12 周 对搬箱机械手
2、各零部件进行设计建模，并装配成整体模型，导出整体装配图 6 13-15 周 撰写毕业论文 7 16 周 准备答辩 三完成工作量 1)毕业实习报告、开题报告一份、设计任务书一份、论证报告一份。 2)搬箱机械手设计二维 CAD、手绘 A1 图纸一份、零件图数份。 3)设计说明书一份。 四水平具体要求： 1）综合运用所学的知识解决实际工程设计和实验研究课题； 2）能独立设计计 算、分析、绘图、实验数据处理撰写技术报告； 3）学习机械设计的设计方法和科学研究的基本方法，学会查阅科学文献、论文资料、机械手册工具书等。 4）对总体方案设计及研究的确定与实施，确定主要系统和主要部件的设计依据。 其中： 参考
3、文献篇数： 说明书字数： 图 纸 张 数 ： 10 篇以上 6 000 字以上 折合 A0 图纸 4 张，其中至少 1 张装配图 专业负责人意见 签名： 年 月 日 搬箱机械手结构设计 摘要 鉴于目前我国的发展状况，对外对内经济的繁荣发展，对于物流运输越来越依赖，运输的自动化提 高对于目前国内发展情况的提高至关重要。因此工业机器人在工业生产、运输中更多更灵活的运用就是最好的提高方法。工业机器人种类繁多功能各不同。根据本设计需要，参考纸箱重量、纸箱尺寸，工作范围合理选择传动与驱动装置，从而设计出一种搬运纸箱的机械手。最终完成任务实现了预期目标设计出 可靠可行的搬箱机械手。本机械手结构简单、制造、
4、装配方便成本较低、 占空间较小、工作范围较大、运动灵活、操作简便， 可大批量生产用于搬运工作，柔性度较高，可匹配多种负载。 本题目涉及到理论力学、机械设计、工程材料、工程制图、互换性测量、液压与气压 传动、机械原理、计算机辅助设计等方面的知识内容。 关键词： 机械手；搬箱；结构设计 The structural design of manipulator for moving box Abstract In view of the present state of development in China.The internal and external economic prosperit
5、y.More and more dependent on logistics and transport.Transportation automations improvment of the domestic development is essential to improve the current situation.So its the best way to use industrial robot in industrial production and transportation more and flexibler.Industrial robots have a lot
6、 of variety and feature.According to the design requirement and weight、 size of boxes,working range choose the transmission and drive device in reason to design out a manipulator for moving boxes.At last complete the task and achieve the desired objectives to design reliable and feasible to move the
7、 box manipulator.The manipulator is simple,easy to manufacture and rig out,low price .Can be used for handling high-volume work and many situation. The completing design manipulator has the small covered area,big working range,simple structure,low cost,merits of the vivid movement and simple operati
8、on etc.Therefore,its suitable for use in reality production. Keywords： Manipulator;Moving box;Structure design 目录 摘要 Abstract 1 绪论 .1 1.1 工业机器人定义 . 1 1.2 工业机械手的组成与分类 . 1 1.2.1 工业机械手的组成 . 1 1.2.2 工业机械手的分类 . 1 1.3 选题背景 . 2 1.4 设计目的 . 2 2 总体设计方案论证 .3 2.1 机械手的总体方案 . 3 2.1.1 机械手总体结构方式 . 3 2.1.2 确定方案 . 4
9、2.2 机械手腰部方案确定 . 4 2.2.1 机械手腰部结构设计要求 . 4 2.2.2 确定方案 . 4 2.3 机械手手臂方案确定 . 5 2.3.1 机械手手臂结构设计要求 . 5 2.3.2 确定方案 . 5 2.4 机械手手腕连接方式 . 6 2.5 机械手手部方案确定 . 6 2.5.1 机械手手部设计要求 . 6 2.5.2 机械手夹持器的运动和驱动方式 . 6 2.5.3 机械手夹持器的典型结构 . 6 2.5.4 确定方案 . 7 2.6 机械手机械传动方案确定 . 7 2.6.1 机械手传动结构设计应注意的问题 . 7 2.6.2 机械手传动机构常见形式 . 7 2.6.
10、3 确定方案 . 8 2.7 机械手驱动系统方案确定 . 8 2.7.1 机械手各类驱动系统的特点 . 8 2.7.2 确定方案 . 9 2.8 机械手手臂平衡机构选择 . 10 3 主要结构设计计 算 . 11 3.1 液压缸气缸设计计算 . 11 3.1.1 手部气缸设计计算 . 11 3.1.2 手臂液压缸设计计算 . 13 3.1.3 升降液压缸设计计算 . 15 3.2 电机选型参数计算 . 16 3.2.1 相关参数的计算 . 16 3.2.2 电机型号选择 . 18 3.3 齿轮传动强度校核 . 19 结论 .21 参考文献 .22 致谢 . 错误 !未定义书签。 1 绪论 -
11、1 - 1 绪论 1.1 工业机器人定义 机器人是一个拥有很多自由度的，能够实现许多模拟人动作和肢体结构功能的机器；工业机器人则是在实际生产中应用的机器人。 1.2 工业机械手的组成与分类 1.2.1 工业机械手的组成 各类工业机器人一般都由操作机（执行机构）、驱动装置、控制系统组成。 (1) 操作机（执行机构） 操作机具有和人臂相似的功 能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置。包括机座、手臂、手腕和末端执行器。 1) 末端执行器（手部） 是执行最重要动作的操作机部件，能装配夹持机构、执行机构等构件。夹持器可分为机械加紧、真空抽吸、液压张紧和磁力等多种。 2) 手腕 是用来支承并调整手
12、部姿态，拥有 23 个自由度的起连接作用的部件，可增大手部的转动范围。有的专用机器人可以没有手腕而直接降末端执行器安装在手臂的端部。 常采用齿条传动及轮系结构。 3) 手臂 是由操作机的连接杆件和关节组成，用于支持和协调手腕及末端执行器的位置。手臂有时不止 一条，还可以包括肘关节和肩关节。一般将靠近末端执行器的一节称为小臂，靠近机座的称为大臂。手臂与机座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的运动范围。 4) 腰部 称为立柱，是承载手臂的元件，手臂依靠它来位移，用来扩大手臂地工作半径。 5) 机座 是固定不动并承受各种应力、力的的元件。分为固定式和移动式两类，移动式机座下部安装行走机构，可扩大
13、机器人的工作范围；行走机构多为滚轮或履带，分为有轨与无轨两种。近些年来发展的步行机器人，其行走机构多为连杆机构。 (2) 驱动装置 机器人的驱动 设备 用来驱动 机器人 工作， 根据 能量 源的不同分为电 子式 、液 压式 和气 压式 三种，其中执行机构电动机、液压缸和气缸可以与操作机直接相连，也可通过齿轮、谐波减速器和链条装置等传动机构与操作机连接。 (3) 控制装置 控制系统根据动作要求可分为开环和闭环控制系统。很多工业机器人采用计算机控制，一般分为决策级、策略级和执行级三级。决策级的功能是识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给
14、各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统执行给定的指令。 1.2.2 工业机械手的分类 (1) 按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机 械手两种 : 1) 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。 东北林业大学本科设 计 - 2 - 2) 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的程序可变的、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大定位精度高通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 (2) 按驱动方式分 1) 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特
15、点是 :抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。 2) 气压传动机械手 是以压缩空气的 压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是 :介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。 3) 机械传动机械手 即由机械传动机构驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。 4) 电力传动机械手 即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。此类机械手目前还不多，但有发展前途
16、。 (3) 按控制方式 分 1) 点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。 2) 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。 1.3 选题背景 鉴于目前我国的发展状况，对外对内经济的繁荣发展，对于物流运 输越来越依赖，运输的自动化提高对于目前国内发展情况的提高 至关重要。因此工业机器人在工业生产、运输中更多更灵活的运用就是 最好的方法。鉴于现如今工业的自动化程度体现了一个国家
17、的整体工业现代化水平，因此对于工业自动化的多样性、灵活性等体现明显的工业机械手就成为世界主流的发展方向。工业的现代化体现一个国家是否强大，能否抵御外敌让百姓过上和平快乐安逸富足的生活。目前中国消费者网上购物的次数是欧洲消费者的 4 倍，是美国和英国消费者的两倍左右。在 2012 年前 3 季度，中国网上购物市场交易规模达 7788 亿元人民币，超 2011 年的全年总数 ;2013 年网上零售总额将占整体社会消费品零售总额 6%左右。由此可见，市场对于工业机械手的需求量如此之大，如 此大的产业需要有充沛的“后勤”保障，对于机械手的设计是非常有意义的。 1.4 设计目的 现在，机械手以不仅仅应用
18、于生产在物流领域里也应用广泛。为了能够灵活迅速的运输商品不仅需要快速的传送轨道，还要有稳定灵活的搬运机器人完成运输不同阶段的交接。本次设计就是要设计一个搬运纸箱的机械手，在结构上力求简单实用满足结构刚度和强度要求，来完成目前繁忙的搬运工作，节约了劳动力的同时提高了搬运效率，减少诸多不确定且对人体健康不利的因素。运用大学四年学习的专业知识完成本次毕业设计，体现出机械设计制造及其自动化专业学生的素质也是本 次毕业设计的目的之一。 2 总体设计方案论证 - 3 - 2 总体设计方案论证 2.1 机械手的总体方案 2.1.1 机械手总体结构方式 工业机器人的结构形式主要有直角坐标式，圆柱坐标式，球坐标
19、式，关节型结构四种。各个结构的特点与形式，介绍如下。 (1) 直角坐标式机械手 如图 2-1，其手臂的运动方式由直线位移构成，即沿 X 轴的伸缩、沿 Z 轴的升降、沿 Y 轴的横移。它特点是结构简单，定位精度高，适用于的场合是主机的坐标规律排列。但是它的占地面积较大而工作范围较小且运动不太灵活导致它的使用率不高。 图 2-1 直角坐标机械手 图 2-2 圆柱坐标机械手 (2) 圆柱坐标式机械手 如图 2-2，其手臂运动方式由直线位移和旋转摆动构成，即朝 X 轴的远近位移，朝Z 轴的上下位移和绕 Z 轴的旋转。它占用底层水平二维空间小、工作空间大、机构不复杂可以完成比较高的定位精度应用广泛。 (
20、3) 球座标式机械手 如图 2-3，其手臂的运动方式由直线位移和圆周摆动构成，即 X 轴的位移、绕 Y 轴的俯仰、绕 Z 轴的旋转。这种机械手动作灵活、工作范围大、占地面积小。它适用于沿伸缩方向向圆周外侧作业的传动形式。 (4) 关 节式机械手 如图 2-4，其机械手可以做几个自由度的旋转，它由大臂和小臂以及腰部组成，大小两臂的连接为肘关节，大臂与立柱的链接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂的俯仰、大臂的回转。它工作范围大、动作灵活、通用性强，能够绕过机体与工作主机抓取物体。它的手指控制位置精度不高，需要多个关节同时转动来提供姿态并且其辅助设施、结构都较很复杂。
