1、本科毕业论文（20 届）搬运机械手设计所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 搬 运 机 械 手 设 计 1设计（论文）的主要任务及目标1） 介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明自由度和机械手整体座标的形式。2） 对机械手分别进行齿轮传动的设计和轴的设计。3） 在确定动力的情况下通过计算分析，选择满足使用功率的步进电机。2设计的基本要求和内容1）了解机械产品的设计方法。2）完成搬 运 机 械
2、手 的 设计。3）完成相应的工程图。4）撰写毕业设计说明书。结构完整，层次分明，语言顺畅；避免错别字和错误标点符号；格式符合机械工程系学位论文格式的统一要求。3主要参考文献1张军,封志辉.多工步搬运机械手的设计J.机械设计,2004:56-128. 2李明.单臂回转机械手设计J.制造技术与机床,2004:108-252. 3张展.机械设计通用手册M.机械工业出版社，2008:202-308. 4闻邦椿.机械设计手册M.机械工业出版社，2010:82-186.4进度安排设计（论文）各阶段名称 起 止 日 期1 查阅文献，了解研究目的意义，完成开题报告 2014.12.01 至 2014.12.3
3、12 了解搬 运 机 械 手 的结构形式 2015.01.01 至 2015.03.103 完成搬 运 机 械 手 设计 2015.03.11 至 2015.04.304 完成相应的工程图设计说明书等整体设计 2015.05.01 至 2015.05.155 撰写毕业设计说明书，准备答辩 2015.05.16 至 2015.06.10审核人： 年 月 日搬运机械手摘 要：本设计简要介绍了搬运机械手的一些基本概念，介绍了搬运机械手各机械模块系统的组成及结构设计，以及搬运机械手目前在国内外的发展现状和发展前景，1并对机械手的控制做了简单的介绍。同时，本设计对搬运搬运机械手各部分组成进行了结构设计和
4、相应的设计计算，结合机械手在实际生产中的作用，系统的设计和介绍了机械手在工作中的动作过程，确定出了机械手所采用的坐标形式和自由度的个数，并且给出了机械手的部分技术参数。本设计着重对搬运机械手的结构与驱动系统做了详细的分析计算，在搬运机械手的控制部分只简单的对 PLC 的工作原理和过程进行了阐述，并对搬运机械手进行了 PLC 梯形图程序的编写。关键词：搬运机械手，三自由度，圆柱坐标 Conveying ManipulatorAbstract:The design introduces some basic concepts of conveying manipulator, describes
5、the composition and structure of the mechanical system of the conveying manipulator design, as well as the manipulator for handling the current status and development prospects of both at home and abroad, and robot control is introduced. Meanwhile, the design for handling robot consists of various p
6、arts of the structure and corresponding design, combined with the robots role in the actual production system design and introduction of the robot in action in the work process, determine the coordinates and the number of degrees of freedom manipulator and manipulator of some technical parameters ar
7、e given. The design focuses on conveying manipulator structure and drive system to do a detailed analysis, in transporting manipulator control simply work on PLC theory and processes are described, and the PLC ladder program of the conveying Manipulator.Keywords: Conveying manipulator, Three degrees
8、 of freedom, The cylindrical coordinates2目录1 绪论 .11.1 搬运机械手的现状及应用 .11.2 搬运机械手的组成及分类 .22 搬运机械手的总体设计要求及手部的设计 .42.1 设计的总体要求 .42.2 手部的设计原理及要求 .52.3 手部的设计计算与校核 .63 手臂的分析与设计 .113.1 对手臂设计的基本要求 .113.2 手臂机构的选择与设计 .123.2.1 手臂直线伸缩运动的驱动力分析与计算 .123.2.2 液压缸工作压力与结构的确定 .144 机身的分析与设计 .174.1 腰部和基座的设计 .174.1.1 结构设计 .1
9、74.1.2 步进电机的选取 .184.1.3 轴承的选取 .224.2 机械传动装置的选取 .234.2.1 滚珠丝杠的选择 .234.2.2 谐波齿轮的选择 .254.2.3 轴的设计和联轴器的选择 .265 搬运机械手控制系统的概述 .285.1 PLC 的组成和工作原理 .285.2 机械手 PLC 梯形图 .306 结论 .32参考文献 .33致谢 .3431 绪论1.1 搬运机械手的现状及应用工业机械手是最近几十年迅速发展起来的一种高科技装备。它具有通过计算机编程来完成各种预期动作的特点，尤其体现在仿照人手的智能化和适应性方面。并且机械手在准确性、效率、适用性等方面有着巨大的提升空
10、间。搬运机械手在现代化的机械生产过程中作为一种新兴的自动化机械装置，被广泛的运用到了流水生产线上，机械手的更新换代和制造已经在许多高科技邻域里占有一席之地，是一门发展潜力巨大的机械工程技术，它的快速发展的促进了机械生产制造领域的发展进程，机械手使自动化和机械化两者充分的结合，大大的提高了生产制造的效率。虽然机械手目前还不能实现非常灵活的工作，但它可以长时间的工作和劳动，不会疲劳，不怕危险，同时抓举工件的力气也比人的力气大很多，所以，机械手目前已得到了许多部门的青睐，并在现实生产中得到了越来越广泛地应用。机械手的主要特点 (1）对环境的适应性非常强，能够代替人类在危险、高温，高压的环境中工作。(
11、2)机械手长时间工作、不会疲劳，可以代替人从事繁重单调的劳动。 (3）机械手的工作和重复定位能力比较强，比较精确，所以可以稳定和提高产品的生产质量，提高生产效率。 (4）机械手通用性比较强，灵活性也不错，能在生产制造的过程中很好的适应不同产品类型的不断变化，从而满足柔性生产的需求。5)采用机械手可以明显的提高工厂的生产效率，减少了工厂使用的劳动力，大大降低了劳动成本。目前，国外已经研发出了有触觉和视觉功能的机械手。第二代机械手也即将问世。它们都通过微型电子计算机来实现控制。国外所研制的机械手都安装了传感器，通过传感器能把外界感应到的信号准确的反馈到控制系统，使机械手具有感觉的能力。目前，国外也
12、已经出现了第三代的自动化机械手，它能自行地完成工作中遇到的各种任务，同时它还与电子计算机设备有着着密切的联系，并且在不断的完善中，使其逐渐发展成为柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）中重要的一环。目前工业上对零部件的精度要求越来越高并且不再要求机械手能适应各种各样的工作环境，所以对机械手的性能也就随之提高。特别是搬运机械手，它对整个系统的集中控制起了十分重要的作用。4在重工业方面例如钢铁、制铝，等高温而又危险等重体力行业中，就要求实现自动化。为了提高人身安全以及对工作效率的保证，更重要的是对于高重量，件数少，速度慢和人工不能胜任的地方更要要机械手的帮助。在轻工业方面机械手主要是用于运
13、输大批量的工件，这种行业的特点是，体积小，件数多，在这种加工生产线，自动线上人力会疲劳而机械手可以一直工作下去，它在加工厂里面也有很大的应用，例如上下料。进一步在程序控制，自动化反馈等方面已经成为一个重要分支。所以在生产自动化的进程中，机械手在现代工业应用中发挥着越来越重要的作用,大大地改善了工人的劳动环境,显著的提高了工厂的劳动生产率,大大的推进了现代工业生产机械化和自动化的进程。1.2 搬运机械手的组成及分类机械手主要由执行机构、驱动机构以及控制系统三大部分组成。其组成和实现过程如下图：（1）执行机构( 如图 1.1 所示 ) 图 1.1 执行机构图行程检测装置手部 传感装置被传送物件驱动
14、部分传送机构 控制部分5 手部手臂的前端装着手部。转动轴安装在手臂内部，通过驱动装置把动力传给手腕，从而实现手部的各种动作。根据被夹持工件的外形和大小，通常机械手的手部会有不同型号和尺寸的夹持器，从而满足不同情况下的动作。 手臂手臂有无关节和有关节手臂之分。手臂作为手部和基座的连接与传动的部件，通常将动力传到手部，使手部完成抓取工件的动作，并将工件放到预先设定的位置。工业上的搬运机械手的支撑杆一般是由驱动手臂运动的部件与动力源(如液压、气压或电机等)相组装，用来完成机械手手臂的各种各样的复杂动作。在第三章会对它进行详细的参数计算，以保证它能支撑旋转式机械手要抓取的工件所受的重量，不会因工件重量
15、过大而折断。本课题所设计搬运机械手，手臂能完成上升、下降、左转、右转和前伸、后退三个方向上的运动，且都通过行程开关来控制来满足定位的需求。（2） 驱动装置驱动装置主要有气动装置、液压装置、电气驱动和机械驱动装置四种。其中液压和气动装置使用的最多，电动、机械驱动较复杂，所以用的较少。液压装置由油缸、油泵、油箱和阀门等装置组成。液压驱动的优点是出力大、体积小，能实现无级变速和自锁，可以停止在任意的位置。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本比较高。气压驱动由气压马达、气压缸、气阀等装置组成。它的优点是集气简单，所需费用少。缺点是发出的动力较小，只有两种位置的动作，不能在中间位置停止，而且产生的噪音较大
16、，装置维护难度较大。本课题设计的机械手，主要通过液压装置来实现手臂的伸缩和夹紧、放松；通过丝杠螺母来实现手臂的上升和下降，通过步进电机来实现手臂向左、向右方向的旋转。（3） 控制系统机械手控制系统主要是由到达位置、工作顺序、动作时间和加速度等要素构成的。机械手控制系统通常采用数字顺序控制。目前，机械手一般分为三种：第一种是不需要手动操作的通用机械手。第二种是需要手动才能操作的，称为操作机。第三种是用专用机械手。在国外，主要是搞6第一类通用机械手，国外称为机器人。本设计的机械手属于第三类机械手。72 搬运机械手的总体设计要求及手部的设计2.1 设计的总体要求设计通用圆柱坐标系机械手及简介控制原理。设计中的搬运机械手每个方向的动作由电机和液压缸进行驱动，并通过行程开关来控制，技术指标如下：抓取重量：30N100N自由度（三个自由度）如下表 2.1表 2.1 自由度动作 符号 行程范围 速度伸缩 X 400 小于 200mm/s升降 Z 300 小于 60mm/s回转 0120 小于 90/s手指夹持范围：棒料，直径 5060mm，长度 6080mm定位精度：3mm控制方式：PLC图 2.1 为机械手的整体示意图，图 2.1 为机械手的整体示意图
