1、本科毕业设计说明书（论文）I摘 要在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，比如数控车床和铣床等，还有把几种机床的功能集中在一起的加工中心等。总之这类 CNC机床大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。但是这类设备引进费用也是相当的昂贵，所以国内很多企业的技术人员在原先的旧机床上进行改进，来达到提高生产率和降低工人的劳动强度，实现工业自动化，这类改进同样也大受欢迎。本文所设计的机械手主要用于搬运工件，工件总重不大于 10Kg，长 150cm，宽150cm，高 150cm 的立方体。为了增加本机械手的通用性，在结构尽可能紧凑的情况下，最大
2、限度的是机械手具有较大的抓取范围。本文主要介绍了搬运机械手的概念、组成和分类，接受的自由度和坐标形式、运动及国内外的发展状况。对于搬运接受进行总体方案设计，首先机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的坐标像是为圆柱坐标型，自由度数为 4，接着确定了机械手的驱动装置为液压缸，然后确定了机械手的主要技术参数。同时，设计了机械手的手部结构形式为气缸杠杆式手爪、臂部结构形式采用液压缸导向连接的双横臂结构，底座采用电机带动竖臂的旋转。机身结构形式为升降缸用液压缸的结构形式，计算出夹紧工件所需的驱动力、手爪转动时所需的驱动力矩、手臂的伸缩所需的驱动力手臂的俯仰所需的驱动力、手臂的升降所需的驱动力，和手
3、臂回转所需的驱动力矩。继而设计了装箱机械手的各部分液压缸的尺寸和结构及各部分之间连接与支承部件的结构与尺寸。关键词：搬运机械手; 液压驱动;液压缸;自动化本科毕业设计说明书（论文）IIAbstractIn China industrial ligament development, a lot of high productivity high precision machining equipments imported from abroad, such as CNC lathes and milling machines, and have several function of mac
4、hine together in processing center, etc. In this kind of CNC machine greatly improves the speed of work, product processing precision, reduces the labor intensity of work, so popular. But this kind of equipment is also very expensive, so many domestic enterprises technical personnel in the original
5、old machine is improved, to improve productivity and reduce labor intensity of workers, industrial automation, this kind of improvement is also very popular.The manipulator is designed in this paper is mainly used for handling the workpiece, the workpiece weight is less than 10Kg, length 150cm, widt
6、h 150cm, high 150cm cube. In order to increase the versatility of manipulator in structure, as far as possible compact case, maximum limit is the manipulator has a large capture range.This paper mainly introduces the concept, composition and classification of the manipulator, freedom and coordinates
7、, movement and development at home and abroad to accept. For the handling of acceptance for the overall program design, first drive manipulator for hydraulic cylinder, and then determine the coordinate manipulator like cylindrical coordinate, the number of degrees of freedom is 4, then the drive man
8、ipulator for hydraulic cylinder, and then determined the main technical parameters of the manipulator. At the same time, the structure design of hand manipulator is cylinder lever type hand, arm structure adopts hydraulic cylinder guide connecting double wishbone structure, base the motor driven ver
9、tical arm rotation. Fuselage structure for lifting cylinder hydraulic cylinder structure, calculated clamping the workpiece required driving force, the gripper rotation required driving torque, the telescopic arm required driving force arm pitching required driving force, the arm lifting required dr
10、iving force, driving torque and arm rotation required. Then design the structure and size and the supporting parts of the connection between the parts of the hydraulic cylinder loading manipulator size and structure and components.Key words：Manipulator; hydraulic drive; hydraulic cylinder; automatio
11、n本科毕业设计说明书（论文）目 录摘 要 .I1 绪 论 .11.1 前言 .11.2 简史 .11.3 基本型式 .21.4 机械手分类 .31.5 应用概况 .51.6 发展趋势 .92 装箱机械手的整体设计 .122.1 机械手的组成 .123 机械手各部分机构设计 .203.1 手部结构设计 .203.2 横臂结构设计 .213.3 齿轮传动部分设计 .213.4 销轴设计 .253.5 底座 .264 传动系统及其他部分的设计 .284.1 气缸选择 .284.2 液压缸选择 .284.3 电动机选择 .314.4 联轴器选择 .334.5 轴承的选择 .354.6 螺栓螺钉的选择
12、.37结 论 .39致 谢 .40参考文献 .41附 录 .42禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）11 绪 论1.1 前言机械手是能模仿人手和臂的某种动作功能，用以固定程序抓取、搬运物件或操作工具有自动操作装置。机械手势最早出现的工业机器人。也就是最早出现的现在机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害的环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工等部门机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、
13、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23 个自由度。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。
14、有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，收到机械工业和铁路工业部门的重视。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其二、他能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。其三、它能部分地代替人工操作；因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更加广
15、泛。1.2 简史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。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研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，臂可以回转、俯仰、禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）2伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓作存贮装置。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(Unimation)，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
16、 Yersatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立往可以回转，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、麻省理土学院联合研制一种 Unimltn-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电于计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于土 1 毫米。国际工业机械手(人)会议 ISIR 决定每年召开一次会议，讨论和研究机械手的发展和应用的问题。同时有关的国家还相应召开本国的或欧洲工业机械手会议和展览会，1982 年即有 12 个展览会，1983 年上半
17、年就有 6 个展览会。通过国际性、地区性的年会、学术讨论会和展览会交流了机械手设计制造的经验，促进了机械手技术的发展和应用。总之，目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它没有微型电于计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到得信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电于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 (F1exibls Manufactu ring system)
18、和柔性制造单元 FMC(FIexible Manufacturing Cell)中重要一环。随着工业机械手(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。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进二种典型机械手后，大力从事机械手的研究。据报导1979 年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位达 50 多个。1976 年各大学和国家研究部门用在机械手的研究经费约占总研究费用的 42。1979 年日本机械手的产值达 433 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
19、 年的两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。智能机械手大概为 17 亿日元，为 1978 年的6 倍。截至 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%，并以每年 5060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。禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）31.3 基本型式机械手型式较多，按手臂的坐标型式而言，主要有四种基本型式直角坐标式、圆柱坐标式，球坐标式和关节式，如图 1-1 示，简述如下：直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式
20、 X、Y 、Z 三个方向的直线进行运动。圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由 X、Z 、 三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动加一个不在直线运动所在乎面内的旋转运动；两个直线运动加一个旋转运功。球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由 X、 、 三个方面的运动组成。关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式。它像人手一样有肘关节，可实现多个自由度动作比较灵活，适于在狭窄空间工作。 。（a ）直角坐标式 （b）圆柱坐标式（c ）球坐标式 （d）
21、关节式图 1-1 机械手的基本型式1.4 机械手分类机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）4不附属于某一主机的装置。他可以根据任务的需要编辑程序，已完成各项规定操作。它的特点是具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆只能的三元机械。第二类是需要工人操作的，成为操作机。他起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechan
22、ical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除了少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是摘第一类通用机械手，国外称为机械人(Industrial Robot)。1.4.1 按控制型式分类1.4.1.1 点位控制型机械手点位控制型机械手的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机械手是点位控制型。1.4.1.2 连续轨迹控制型机械手这种机械手的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂的动作。工作性能完善，但控制部分比较复杂。控制方式分开关式和伺服式两种。1.4.2 按驱动方式分类1.4.2.1
23、 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。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。1.4.2.2 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。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，
24、在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。1.4.2.3 机械传动机械手禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）5即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)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。1.4.2.4 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。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机
25、械手目前还不多，但有发展前途。1.4.3 按用途分类1.4.3.1 专用机械手专用机械手是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。它一股只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序适应多种作业的需要。1.4.3.2 通用机械手通用机械手是在专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统，如插销板、插件板、穿孔带、穿孔卡、凸轮转鼓、滋芯和磁鼓等。通用机械手又分简易型、示教再现型和智能机械手
26、、操纵式机械于等几种。(1)简易型通用机械手是目前国内外应用最多的一种，固定程序采用凸轮转鼓；可变程序则采用插销板或插件板进行控制。(2)示教再现型通用机械表先由人操纵机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。故又称之为重复型机械手。(3)智能机械手具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛” ，以声敏元件模拟人的“耳朵” ，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的“大脑” 。具有以上“视觉” 、 “听觉” 、 “触觉”以及能思考的智能机械手(机械人)，目前正处在研究试制阶段，部分已达到实用的阶段。(4)操纵式机械手在人的
27、操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变。操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探免以及危险的工作地区。其缺点是结构复杂，成本高。1.5 应用概况禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）6在现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业
28、的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。在机械工业中，机械手的应用意义可
29、以概括如下：(一)可以提高生产过程的自动化程度。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率， 降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。(二)可以改善劳动条件、避免人身事故。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中， 以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。(三)可以减少人力，便于有节奏地
30、生产。应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面， 同时由于应用机械手可以连续地工作， 这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合 )JuT自动生产线上， 目前几乎都设有机械手， 以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物
31、的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。我我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺盛。据美国和日本的统计，各工种使用机械手的比重大致如下： 禽岛学院本科毕业设计说明书（论文）7表 1.1 美国各工种使用机械手比例工种名称 所占比例压铸 30%冲床上下料 20%装 配 15%加热炉装炉、出炉 5%注塑机模具和制品搬运 5%注塑机模具和制品搬运 20%机床上下料 5%表 1.2 日本各工种使用机械手比例工种名称 所占比例机床卸工件 62%机床上科 58%运输带间搬运 39%压力机上下料 27%装 配 27%包 装 20%锻造机械上下料 15%喷 漆 11%压 铸 9%焊 接 8%图 1-2 所示为金屑加工制造业中机械手在各种作业中的比例。同时工业机械手的需求量也急剧增加，1980 年日本工业机械手需求量达 600 亿日元，1985 年将增至 2900亿日元，至 1990 年将达到 40004500 亿日元。
