1、毕业设计（论文） 自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计 学生姓名 学号 学生专业 机械设计制造及其自动化 班级 系 指导教师 致 谢 大学四年就这样匆匆过去了，在此我想对培养我四年的母校，传授我知识的老师，陪我一起度过酸甜苦辣的同学、朋友表示衷心的感谢。 特别感谢我的毕业论文指导老师张伟老师，是他悉心指导我完成了这个毕业设计。张老师用他渊博的专业知识，严谨的治学之道，精益求精的工作作风感染着我。从选题到答辩，都有 张老师的指导，每次遇到问题，张老师都及时地给我们解答，这篇毕业论文的顺利完成，张老师付出了太多，在此，再次向张老师表示崇高的敬意和真挚的感谢。 这篇论文的顺利完成
2、，也离不开我们机械手设计小组的各个成员的共同努力。在此，特别感谢我的组长陈述，组员张益、林日玖、金守勇这四位同学，是他们用汗水浇灌了今天的成果。另外，感谢我们班的同学，感谢他们的关心和帮助。 I 自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计 摘要： 机械手能代替人工操作，起到 减轻工人的劳动强度，节约加工时间，提高生产效率，降低生 产成本的特点。在实用的基础上，对自动上下料机械手直臂与夹持部件进行三维设计，其中分为三个部分，手爪、手腕、直臂。设计手爪为平移型夹持式手爪，传动结构为滑动丝杆。手腕为回转型，转动角度为 0-180，传动结构为蜗轮蜗杆。直臂传动结构为滚珠丝杆。整体机械手为
3、直角坐标型，驱动均为电机驱动，结构简单可靠，精度高。 关键词 ： 机械手；直臂与夹持部件； Pro/e 三维设计； CAD 二维设计 中图分类号 ： TH24II III 目次 摘要 .I 目次 .III 1 绪论 . 1 1.1 前言和意义 . 1 1.2 工业机械手的简史 . 1 1.3 国内外研究现状和趋势 . 3 1.4 本章小结 . 3 2 机械手直臂部分的总体设计 . 4 2.1 执行机构的选择 . 4 2.2 驱动机构的选择 . 4 2.3 传动结构的选择 . 5 2.4 机械手的基本形式选择 . 6 2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动 . 7 2.6 机械手的技术参数 .
4、8 2.8 本章小结 . 9 3 机械手手爪的三维设计 . 10 3.1 手部设计基本要求 . 10 3.2 典型的手部结构 . 10 3.3 机械手手爪的设计计算 . 10 3.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置 . 10 3.3.2 手爪夹持范围计算 . 11 3.3.3 滑动丝杠设计 . 12 3.3.4 直齿轮设计 . 14 3.3.5 电机选型 . 15 3.4 机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图 . 16 3.5 本章小结 . 18 4 机械手手腕部分的三维设计 . 19 4.1 腕部设计的基本要求 . 19 4.2 腕部的结构以及选择 . 19 4.2.1 典型的腕部结构 .
5、19 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 . 20 4.3 腕部的设计计算 . 20 4.3.1 蜗轮轴的设计计算 . 20 4.3.2 蜗轮齿轮设计 . 22 4.3.3 步进电机选型 . 23 4.4 手腕部分出图及主要零部件出图 . 24 4.5 本章小结 . 30 中 国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） IV 5 直臂部分的三维设计 . 31 5.1 手臂的结构的选择及其驱动机构 . 31 5.2 滚珠丝杠设计 . 31 5.3 锥齿轮设计 . 34 5.4 电机选型 . 36 5.5 机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图 . 37 5.6 本章小结 . 40 6.总结 .
6、 41 学位论文数据集 .43 中 国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 前言和意义 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自 动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规
7、模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考 虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生产线发展成为柔性制造系统 ,适应现代自动化大生产 ,针对具体生产工艺 ,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。 通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水
8、平，实践动手能力 以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于 20 世纪 50 年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 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。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。 1962 年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之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 )。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用中 国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 2 液压驱动；控制 系统用
9、磁鼓最存储装置。不少球坐标式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自动公司（ Unimaton） ,专门生产工业机械手。 1962 年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、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-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，定位误差可小于 1 毫米。 美
10、国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由 400 小时提高到 1500 小时，精度可提高到 0.1 毫米。 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。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。 瑞 士 RETAB 公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。 日本是工业机械手发展最
11、快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道， 1979 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50多个。 1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用 42%。1979 年日本机械手的产值达 443 亿日元，产量为 14535 台。其中固定程序和可变程序约占一半，达 222 亿日元，是 1978 年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67 亿日元，比 1978 年增长 50%。智能机械手约为 17 亿日元，为 1978 年的 6 倍。截止 1979年，机械手累计产量达 56900 台。在数量上已占世界首位，约占 70%，并以每
12、年 50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990 年将有 55 万机器人在工作。 第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，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，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。 中 国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 3 第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中 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(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元 (Flexible Manu
13、facturing Cell)中重要一环。 随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。 1.3 国内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： 1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、连杆模块用重组方式构造机器人整机。 2工业机器人控制系统向基于 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。 3机器人中的
14、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、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 4关节式、侧 喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； 5焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。 总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算
15、法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠 ，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。 1.4 本章小结 本章介绍了机械手的基本概念，工业发展简史，发展机械手的重要性及设计的目的，并介绍了机械手的现状和发展方向。 中 国计量学院现代科技学院本科毕业设计（论文） 4 2 机械手直臂部分的总体设计 2.1 执行机构的选择 （ 1）手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。 手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托
16、持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对 圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。 传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。 （ 2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、左右摆动、上下摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬
17、运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构 为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700） ,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。 （ 3） 臂部 ，手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动 机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 2.2 驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同 , 可分为以下四类 ： （ 1）气压传动机械手
