1、三江学院本科生毕业设计（论文） 目 录 第一章 绪论 .1 1.1 课题背景及意义 .1 1.2 机械手的发展和趋势 .1 1.3 某生产线机械手 的设计要求和基本内容 .2 第二章 某生产线机械手模块的设计 .4 2.1 机械手驱动方式的选择 .4 2.2 气动驱动机械手的应用现状及发展前景 .5 2.3 机械手的设计方案 .6 2.4 机械手的手部结构设计 .6 2.5 机械手的系统设计 .8 2.6 机械手的手部结构设计及计算 .9 2.7 机械手手臂机构的设计 .12 2.8 机械手腰部和机座结构设计及计算 .13 2.9 机座传动装置的总体设计 .15 第三章 旋转模块的设计 .23
2、 3.1 旋转模块总体设计 .23 3.2 摆动气缸的选用 .23 第四章 装钉模块的设计 .25 4.1 装钉模块的总体布置设计 .25 4.2 钉盒的结构设计 .26 4.3 压钉轴的结构设计 .26 4.4 装钉气缸的选用 .26 4.5 导轴和导套的设计 .27 第五章 计算机辅助设计 .28 5.1 三维建模 .28 5.2 CAXA 的运用 .33 结束语 .35 致 谢 .36 参考文献 .37 三江学院本科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题背景及意义 某 生产线机械手是一种具有开放式特征的实训实验平台。是多种高科技的融合，可以完成电工、电子、单片机、机械设计、传
3、感器、机电控制、数字信号处理等许多课程的几百个实训实验。某生产线机械手的作用主要以展示机械结 构、运动特征和功能关系为主。相对于工业机器人具有它的特殊性：首先，一台机械手相当于一个试验平台，要能显示多种运动性能。因此，应用环境广泛，功能多样。其次，其制造加上精度略低于工业机器人，且性价比高。另外，它的体积小，重量轻。因此，专用性强的生产线机械手的研制方法不能满足这样的要求。所以我用solidworks 软件来实现机械手的结构设计和对其进行的原理分析设计了一种的可扩展式机械手 ， 具有造价低、调控容易、重复性好的特点。 1.2 机械手的 发展和趋势 机械手在现实生活中的种类可以说是非常的多，然而
4、最初的机械手是 工业机械手，它最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。 工业机械 手是在第二次世界大战期间发展起来的，始于 40 年代的美国橡树岭国家实
5、验室的搬运核原料的遥控机械操作手研究，它是一种主从型的控制系统。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的； 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。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制 动公司，专门生产工业机械手。 1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手
6、的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。 三江学院本科生毕业设计（论文） 2 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种Unimation Vic.arm 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。联邦德国机器制 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 Kuka 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制；日本是工业机器人发展最快
7、，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作。 我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。 1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始 研制和应用机械手。从第七个五年计划（ 1986-1990）开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究
8、所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机， 编码器， DC PWM 等等。 我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机
9、械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。 1.3 某 生产线机械手 的设计要求和基本内容 所谓机械手的结构系统是指具有特定功能的、相互间具有许多联系要素构成的一个整体。首先 ，从系统的观点出发，本设计是采用内部系统设计与外部系统设计相结合的方法，既重视内部系统设计，也重视内、外系统的联系。在确定系统功能时，每个模块都遵循保证基本功能、满足使用功能、剔除多余功能，恰到好处地利用外观功能和原则。 因此，本着该设计意图，根据动作要求对机械结构进行分析，本次的设计包括以下几个基本内容： 1.掌握机械手整条生产线的工作原理，并分析各工作模块的功能。 2.对机械手工作模块的机械结构进行分析。
10、 3.根据功能需要，进行机构原理图设计和运动分析。 4.测绘零件，设计零件，用 SolidWorks 2011 绘制三维零件图，并进行三维装配三江学院本科生毕业设计（论文） 3 图设计。 5.对三维图进行分析和修改，然后转化为工程图以便画二维图。 6.对部分典型或非标零件用 CAXA 2011 或 SolidWorks 2011 进行设计。 7.完成设计图纸，包括零件图、装配图。 最终本人用 SolidWorks 2011 设计完成的三维装配图如图 1.3 所示： 图 1.3 三模块总装配图 三江学院本科生毕业设计（论文） 4 第二章 某生产线机械手模块的设计 2.1 机械手驱动方式 的选择
11、机械手的驱动方式一般有三种方式：气动驱动方式、液压驱动方式、电驱动驱动方式 1.气动驱动方式 气动 驱动 的优点： 结构简单、气源简便获得、能得到较高的开关速度、可安装调速器，使开关速度按需要进行调整、气体削减性大，关闭时有弹性、 成本低。 气动 驱动 的缺点： 因气体有削减性所以速度不易匀称 ，噪声大，难以准确控制位置及速度。 2.液压驱动方式 液动 驱动 的优点： 结构简单，体种小、输出力大、简便获得低速或高速，能无级变速、 功率重量比大，低速平稳 、由于液压油的黏性而效率较高，有自润滑功能 和防锈功能。 液动 驱动 的缺点： 油温变化引起油粘度的变化、液压元件和管道易渗漏、配管，维修不方
12、便、 易漏油，成本较高。 3.电驱动驱动方式 电动 驱动 的优点： 适用性较强，不受环境温度影响、输出转矩范围广、控制方便，能自由地采用直流、交流、短波、脉冲等各种信号，适于放大、记忆、逻辑判断和计算等工作、可落实超小型化、拥有机械自锁性、安装、维护检修方便、 可分为步进驱动、直流驱动和交流驱动。其中直流驱动调速性能好，功率较大，效率高。 电动 驱动 的缺点： 结构庞杂、机械效率低一般只有 25%-60%、输出转速不能太低或太高、易受电源电压、频率变化的影响 根据机械手的功能的动作要求，确定利用电机驱动的直流驱动和锥齿轮传动来实现机械手的旋转运动；利用气动驱动实现机械手的上下运动；考虑到本设计
13、中的机械手工作范围较小，利用气动驱动实现手臂的伸缩运动；考虑到机械手的手部需结构简单，成本低，容易维修，而且重量要轻，机械手的手部也采用气缸驱动。 鉴于上面三种驱动方式，选择气动驱动方式为本设计的驱动。 三江学院本科生毕业设计（论文） 5 2.2 气动驱动机械手的应用现状及发展前景 2.2.1气动机械手的应用现状 近 20 年来，气动技术的应 用领域迅速拓宽，尤其在各种自动化生产线上得到广泛的应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化的程度变得更高，控制方式更灵活，性能更可靠。 从各国的行业统计资料来看，近 30 年来，气动行业发展很快。我国的气动行业起步较晚，但发展较快，从
14、20世纪 80 年化中期开始，气动元件产值的年递增率达 20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、 PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。 由于气压传动系统使用安全、可靠，可 以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂动作等优点。所以，气动机械手被广泛用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密仪器和军事上。 现代汽车制造
15、工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压 控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。 在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的 SIN 气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用
16、于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手 等。 此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动 调节病床机械手，外科手术机械手等。 2.2.2气动机械手的发展前景 目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、三江学院本科生毕业设计（论文） 6 易实现复杂的动作等诸多独特的优点，
17、可能预见，在不久的将来，气动机械手将越来 越广泛地进入工业、军事、航空、医疗、生活等领域。 2.3 机械手的设计方案 2.3.1机械手系统工作原理和组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统和位置检测装置所组成。各系统 之间的相互关系如图 2.3.1 所示： 图 2.3.1 系统之间相互关系 机械手的工作原理：采用气压传动方式，来实现执行机构按规定要求，有顺序，有运动轨迹的动作；同时按其控制系统的信息对执行机构发出命令，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可发出报警信号；位置检测装置可 随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，从而使执行机构以一定的要求达到设定位置。 2
18、.4 机械手的手部结构设计 1.执行机构 包括手部、手腕、手臂、立柱和机座等部件。 （ 1）手部： 即与工件接触的部件。由于与工件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式。手部结构取决于被抓取工件的表面形状、被抓部位和物件的重量以及尺寸。本设计考虑到以上因素，工件属于轻、状零件，所以采用吸附式手部，吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力吸附物件的。 三江学院本科生毕业设计（论文） 7 （ 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。 （ 3）手臂： 手臂的作用是带动手部去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。 （ 4）立柱： 立柱是支承手臂的部件，手臂的回转和升
19、降运动均与立柱有密切的联系。 （ 5）机座： 机械手执行机构的各部件和驱动系统均装在机座上，故它起支撑和连接的作用。 2.驱动系统 驱动系统是驱动机械手执行机构运动的。常用驱动系统有液压传动、气压传动和机械传动。 3.控制系统 控制系统是支配着机械手按规定的动作要求进行运动的系统，它支配着机械手按规定的程序运动，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。 4.位置检测装置 它可将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置相比较，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。本课题采用气动位置传感器，它可以将位移的变化转变为压力的变化，再转变
20、为电量的变化。 2.4.1机械手坐标形式的选择 按机械手手臂的不同运动形式，其坐标形式可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型及关节坐标型。如图 2.4.1 所示： （ a） （ b） 直角坐标系 圆柱坐标系 三江学院本科生毕业设计（论文） 8 （ c） （ d） 球型坐标系 关节式坐标系 图 2.4.1 坐标形式 由于本次设计的机械手是通过两个移动和一个转动来实现手部空间位置的改变，因此，采用圆柱坐标形式。 2.4.2机械手的技术参数 1.机械手最大抓重： 1kg 2.工件尺寸：长 错误 !未找到引用源。 *宽 *高 =50*50*25（ mm） 3.坐标形式：圆柱坐标 4.支座旋转角度： 1
21、80 5.手臂运动参数：伸缩行程： 100mm 伸缩速度： 100mm/s 升降行程： 60mm 升降速度： 100mm/s 6.机械手定位精度： 错误 !未找到引用源。 2.5 机械手的系统设计 1.机械手的运动自由度 自由度是指机械手所具有的独立坐标轴运动的数目。本设计的机械手具有转动副和移动副两种运动副，具有手臂伸降，旋转和前后伸缩三个自由度。 2.机械手的工作范围 工作范围是指手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合。 该机械手的工作范围如图 2.5 所示： 三江学院本科生毕业设计（论文） 9 图 2.5 机械手工作范围 3.机械手的机械结构类型 本设计采用圆柱坐标形式的方案，运动形式
22、为一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统。 2.6 机械手的手部结构设计及计算 2.6.1气缸 的选用 1.预选气缸的缸径 一般用作实验的工件不会太重，塑料制品工件和铝制工件即可。 根据气缸的负载状态，铝制工件的质量： 错误 !未找到引用源。 m1=0.15kg/m2 塑料工件的质量： 错误 !未找到引用源。 铝制工件的重力为： G=错误 !未找到引用源。 m1g=0.159.8=1.47N 错误 !未找到引用源。 可确定气缸的轴向负载力 F 错误 !未找到引用源。 1.47N。 根据负载的运动状态，参考表 2.6.1-1，预选气缸的负载率 =0.7。 表 2.6.1-1 负载率与负载的运动状态 负载的运动状态 负载率 静载荷（如夹紧） 70% 动 载 荷 气缸速度50mm-500mm/s 50% 气缸速
