1、 I 上、下料机械手设计及建模 摘 要 ： 本文简要地介绍了工业机器人的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，液压技术的特点及国内外的发展状况。 本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构 ;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩 ;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动 化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变
2、现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。本设计选用液压驱动系统。液压驱动应用广泛，传动平稳，且易于控制。它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作 ,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词 ： 机械手； 3 自由度；液压驱动； II loading and unloading manipulators mechanical design ABSTRACT: At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the infor
3、mation of the development briefly. Whats more,the paper accounts for background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primar
4、y specification parameter of this manipulator. This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers. The paper designs the structure of the wrist,computes the needed moment of the drive when the wrist
5、wheels and the moment of the drive of the pump. The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulators arm flexes,ascend,descend and wheels . The paper designs the system of air pressured rive and draws the work principle chair. Industrially, autom
6、atic control systems are found in numerous applications, such as automation machine tool control, computer systems and robotics. Industrial robots are relatively new electromechanical devices that are beginning to change the appearance of modern industry. This scheme introduced a cylindrical robot f
7、or three degree of freedom. It is composed of two linear axes and one rotary axis current control only allows these devices move from one assembly line to other assembly line in space, perform relatively simple taskes. This design selects the hydraulic driving system. The hydraulic driving applicati
8、on is widespread.The transmission is steady.Also control is easy . This paper is more comprehensive introduction and summing-up for the for the whole design work. Key words: Manipulator ; 4 degrees of freedom ; Hydraulic Driving system ; 1 目 录 第 1 章 前言 . 3 第 2 章 工业机器手的总体设计 . 5 2.1 工业机器手的组成 及各部分关系概述
9、. 5 2.2 机械手的工作原理 . 5 2.3 机械手的分类 . 7 第 3 章 机械手的设计方案 . 9 3.1 机械手的坐标型式与自由度 . 9 3.2 机械手运动简图 . 10 3.3 机械手的手部结构方案设计 . 10 3.4 机械手的手腕结构方案设计 . 10 3.5 机械手的手臂结构方案设计 . 11 3.6 机械手的驱动方案设计 . 11 3.7 机械手的控制方案设计 . 11 第 4 章 手部结构设计 . 12 4.1 夹持式手部结构 . 12 4.1.1 手指的形状和分类 . 12 4.1.2 设计时考虑的几个问题 . 12 4.2 手部的计算和分析 . 12 4.3 腕部
10、 计算与分析 . 16 4.3.1 腕部设计的基本要求 . 16 4.3.2 腕部回转力矩的计算 . 17 4.3.3 选键并校核强度 . 20 4.4 臂部计算与分析 . 21 4.4.1 臂部设计的基本要求 . 21 4.4.2 手臂的设计计算 . 22 4.5 机身计算与分析 . 31 4.6 本章小结 . 31 第五章 典型零部件的建模过程 . 32 5.1 机械手手臂的创建 . 32 5.2 机械手手部的创建 . 33 5.3 机械手的装配 . 35 第 6 章 液压系统 . 37 6.1 液压缸 . 37 6.2 计算和选择液压元件 . 39 6.2.1 液压泵的选取要求及其具体选
11、取 . 39 6.2.2 选择液压控制阀的原则 . 41 6.2.3 选择液压辅助元件的要求 . 41 6.2.4 具体选择液压元件 . 41 6.3 本章小结 . 43 结 论 . 44 参考文献 . 45 谢 辞 . 46 2 附录 . 错误 !未定义书签。 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计） 开题报告 . 错误 !未定义书签。 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计） 结 题报告 . 错误 !未定义书签。 宝鸡文理学院本科毕业论文（设计） 答辩报告 . 错误 !未定义书签。 3 第 1 章 前言 随着我国工业生产的飞速发展 ,自动化程度的迅速提高 .,实现工件的装卸、转向、输送或操持喷枪、扳手等工
12、具进行加工、装配等作业的自动化，已经愈来愈引起人们的重视了。 工业机器人由操作机 (机械本体 )、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变 批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 机 械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，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、轻工和原子能等部门 。 机器手应用情况，可以反映一个国家工业自动化
13、水平。机器手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、 精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备 .机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。 在生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 :可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产 ;尤其在高温、高压、低温、低压
14、、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此 ，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用 .机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 4 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组
15、成。它的 控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从 1980 年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化， 具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。
16、 5 第 2 章 工业机器手的总体设计 2.1 工业机器手的组成 及各部分关系概述 图 1 机械手组成方框图 2.2 机械手的工作原理 机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。采用液压传动方式，以实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错 误或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后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 . （一）执行机构
17、包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部 : 手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大 的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位 (是外廓或是内孔 )和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、 V形面的和曲面的 :手指有外夹式和内撑式 ;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有 :滑槽杠杆式、连杆杠
18、杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 6 2、手腕 : 是连接手部和手臂的部件，可以调整被抓取物件的方位 (即姿势 ) 3、手臂 : 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求 将其搬运到指定的位置 .工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 (如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等 )与驱动源 (如液压、气压或电机等 )相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱 : 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降 (或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立 I因工作需要，有时也可作横
19、向移动，即称为可移式立柱。 5、机座 : 机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二 )驱动系统 驱动系统是驱动工业机 械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时
20、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。 (三 )控制系统 控制系统是支配 着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位 (或机械挡块定位 )系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息 (如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间 )，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的7 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。 （四） 检测系统 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进
21、行比较，以保证运动符合要求。 图 2 各部分关系图 2.3 机械手的分类 由于机械手还没有统一标准，在此暂按适用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 （一） 按用途分 机械手可分为专用和通用机械手两种： 1.专用机械手 她是附属于主机的、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稍、工作对象单一、结构简单、实用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手。 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。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制：伺服型具有私服定位控制系统，可以是点位的，也可以是一实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 （二） 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
