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.docx

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1、摘要通过整合近年来所学习的机械工程专业知识，对工业机械于各部分的结构和作用进行分析，尝试设计出一种圆柱坐标形式的数控上下料机械手。机械于可以通过对人工操作的替代，起到降低劳动力成本、提高生产率、减少加工时间以及降低工人劳动强度的作川。机械手可以通过替代人工操作来降低人工成本、减少加工时间、降低劳动强度，起到提高人类生产力的作用。本文采用三维技术设计自动机械手及央持零件，具有一定的可运用范围,部件包括直臂、手腕、手爪三部分，手爪设计为平移型夹持式手爪，采用滑动丝杆传动结构：手腕为蜗轮蜗杆的传动结构，可转动QT80角度：直臂为滚珠丝杆的传动结构。整体机械手的坐标为直角，通过电机进行驱动，准确度很高

2、且具有合理的结构。具体进行J机械手的总体设计，手腕、手臂和手爪的结构设计，以及机械手传动机构、驱动系统的设计。关键词：机械手：直臂与夹持部件；CAD二维设计第1章绪论1.1 前言和意义机械手能够移动和抓取工件，被广泛适用于现代社会自动化的生产过程，是一种新式的、在机械化生产中发展起来的设备。它能够使人们以更加轻松的姿态应对繁重的工作，并尽珏避免出现在危险、不健康的工作环境中。从而起到降低劳动力成本、提高生产率、减少加工时间以及降低工人劳动强度的作用。机械手被普遍地运用到机械行业中的自动化数控机床中，它可以搬运、装卸工件，可以对零部件进行组装“由于结构非常紧凑，适应性很强，多用于规模较小的生产中

3、，可以节约大量的设备、人力和能源“当前，我国的工业机罂入水平提高显著.但同国外发达国家相比还有很大的提升空间。例如产业化水平不高,应用规模较小。研究和开发机械手对我国自动化生产能力有若很大的影响，-因此，研究和设计机械手也具有积极的现实意义。现阶段，我国很多工厂数控机床生产线中装卸工件的工作都需要人工来完成，不仅劳动效率跟不上，工作强度更是很高。为了减少成本黄川、提高劳动效率，同现代化的生产方式相适应，以柔性制造系统代替旧工业模式，本文通过整合近年来所学习的专业知识，对机器人技术加以开发利用，设计一种装卸机械手来替代人力工作，可以使劳动效率得到有效提高，本设计有着明确的研究目标和研究方向，体现

4、了一定的机械专业水平。1.2 工业机械手的简史现代工业机械手起源于上世纪50年代初，是一种具有多自由度动作功能的柔性自动化机械产品.机器人的研究和生产最早始于美国。1950年，世界上第一台机械手诞生于美国。它主要是在机身上放置一个较长的回转臂，并在臂的末端放置装有电磁铁的工件用来抓放机器。I960年，在此基础上，由美国机械铸造公司研制的世界上第一台数控示教再现型机器人诞生了。它采用液压驱动、采用仿制坦克炮塔进行曾俯仰和旋转，磁鼓存储装置是其控制系统。在此基础匕一些球坐标式式通用机械手逐渐发展起来。1962年，美国又诞生了款名为VerSaUan的机械手,意为操作方便。该机械手利用液压驱动,可自由

5、摆动中心柱，可伸展、转动和提升手臂.该机械手是工业机械手的基础，体现了一定时期内发达国家的机械研究水平。上世纪70年代，美国麻省理二学院和Sima1.e公司联合研究设计了一种新型工业机械手，称为UnimaeVic-ami,其控制系统为小型电子计算机,可适用于装配流程，可以允许有小于1亳米的误差。在制造机械手时，美国非常注重它可咏性地提升，减少成本费用并进行结构改良。Unimate公司使用了8台试验台用来测试机械手的性能.并将故隙前的平均时间大大延长，从400小时加长到1500小时，精度确定为01充米。德国机械制造业开发机械手始于上世纪70年代，最初主要用于设备装载、焊接和起重运输，KnKa还开

6、发了采用关节结构的点焊机械手。从上世纪60年代开始，I本从美国引进了基础机械手以后，便开始在研制道路上突飞猛进。上世纪70年代，日本从事研究机械手的研究院、大学共有50多家，费用占工业研发费的40$以上。截1上到1979年，己经累计生产了56900台机械手，占世界总产量的70K桧列世界第一，增长速度也达到50%每年。在众多使用机械手的产业中，汽车工业使用量最高，其次是电机产品。1990年，共有55万台机械臂在为多个行业服务。第二代机械手发展迅速，其控制系统是微电子计算机，具有听、触、看、甚至简单思维的能力。在机械手上安装传感器，赋予其反馈信息的功能。国外已经研究设计了这种机械手。第三代机械手将

7、计算机和电子设备相连接，可以完整、流畅地完成各种工作任务，成为柔性制造系统FMS中的主要环节。当前，对机器手的研究随着它应用范围的不断增加也在不断提升，国际性的学术交流当前也越加活跋和广泛，促进了研究水平的进一步提高。第2章机械手直臂部分的总体设计2.1执行机构的选择(1)手部。通常是平动型或者回转型，是与工件直接接触的部分。它具行抓取工件的功能，根据被抓取物体的重量、形状、材质和尺寸的特点，有不同的结构。如吸附式、支撑式、夹钳式等。吸附型适用于重量较轻、表面平整的方形工件：夹持型主要适用于结构匆杂的圆柱形工件。仃较多的传力结构形式，例如弹簧式、丝杆螺杆式、连杆式等。(2)手腕。连接手我和手，

8、主要对手姿势起到支撑作用，可以使机械手的运动范围更大，并更加灵活，从而适应范围更广。于腕有一定的独立性，能够上下左右和回转运动。通常腕部只需要有上下摆动和回转运动就可以在正常工作中使用。一些结构简单的机械手甚至没有腕部，手搬运工件是由手臂骤动的。目前，回转液压缸是最常见的手腕回转运动机构，它的优势在于构造灵活旦紧密：缺点是回转角度小于270。，旦密封严监，否则输出扭矩的桧定性较差，雄以保证。因此，如果要求的回转角度较大，则需要采用轮系结构或齿条传动。(3)于臂。作为机械F重要的握持机构，手臂的功能是支掾于和于腕，支持他们做空间运动。手惜运动的主要目标是将手送到运动范围内的任何位置，如果对手的方

9、位发生变化，则是手腕来实现其运动。因此，要满足手臂运动的条件，应实现旋转、伸缩的自由度。手臂工作通常包含多种传动和舞动机构。通过分析手臂的受力情况，它有很多自身的运动，承载着手和手腕，以及工件的运动和静裁荷。因此，工作性能受到机械手灵活性、工作范围的影响.2. 2驱动机构的选择驱动机构在工业机械手的组成中有若极其重要的作用。根据不同的动力源能够分为以(1)气压传动机械手气压机械手骤动执行机构主要是通过对空气的压力进行压缩来进行的。它的优势在于便于养护、输出力大、速度快、费用低、构造简单。但由于空气的可压缩性特点，它的工作速度不稳定，抓取时的定位精度以及力度都不足。(2)液压传动机械手气压机械手

10、驱动执行机构主要是通过油液压缩的压力来进行的)它的优势在于输出力大、速度快、传动稔定、构造简单。不足之处在于有很高的密封性要求，难以养护：同时由于液体属性的影响，只能在常温环境下工作。目泄线油时会膨响到其工作性能，因此对油液过灌的要求很高，因此费用成本高。(3)机械驱动机械手它的驱动执行机构主要是通过机械传动来进行的，是一种专用机械手，主要附属在主机上工作，优点是定位准确、动作幅度大；不足之处是保养需求高且体枳较大。(4)电气驱动机械手它的邸动执行机构主要是通过电机卵动来进行的。优势在于环保性强、易于保养、定位准确、工作行程长且操作速度快：不足之处在于技术的成熟度不高,结构更杂且成本费用较嬴作

11、为工业机械手的揖要组成部分，驱动机构的驱动方案和仪器装置对_E业机械手的性价比起到了决定作用。本设计使用电动驱动，是根据机械手的工作条件和各种火动设备的特点来决定的，2.3传动结构的选择(D谐波齿轮传动谐波齿轮传动的优势在于具有较高的传动效率、较强的承载能力、噪声和传动误差小、准确度高、传动和定等。因此广泛应用在机器人系统中。它主要依靠可控变形波来传递动力，而这种变形波的产生是依靠柔性齿轮在齿间引发的相对错齿来进行的，不同于一般的齿轮传动。(2)螺旋传动它属于旋转传动，主要是将旋转运动和直线运动进行转换的一系列过程。它仃两种类型，机床工作台的进给丝杠属于运动传递：螺旋压力机和千斤顶属于能量传递

12、。(3)同步带传动作为一种新型传动，它整合了普通带和链轮链条传动的共同优势.它有哂合齿轮在带面和带轮的外周，啮合传动是通过带齿和轮齿进行的。为了使带和带轮作同步的传动，并且不会产生滑动，齿形带使用的材料是不会产生变形和滑动的高强力材料，使节距不会有变化。同步带的优点是有高达98%的传动效率，准确度高且节约能源：能吸附噪音：稳定性强、养护便捷、结构紧凑：传动速度快，达到40m,因此机器人制造中使用非常广泛。不足之处是对安装技术、中心距的要求很高。（4）钢带传动它的优势在于带轮间和钢带保持布定的接触面，摩擦阻力符合标准，噪声小、运行平稳、不产生滑动、构造简单，使用期限长，驱动力强，钢带也有很高的传

13、动效率且无端变。2.4机械手的基本形式选择根据手臂动作形态和坐标形式的不同，工业机械手可以分为以下4种：直角坐标型、圆柱坐标型、多关节型以及球坐标型机械手。图21机械手基本形式考虑到机械手的工作条件，本设计时使用了直角坐标型机械手，它的优势在于定位非常准确，构造也很紧凑，能符合设计所需要的要求。2.5机械手直臂部分的主要部件及运动机械手的组成部分有电机4个以及大部件3个。（1）手部。使用了丝杆螺母结构。在电机的作用下，手爪实现了张合；（2）腕部。在步进电机的作用下，蜗轮蜗杆使手部得以实现90以上，180的传动：（3）愕部。在电机的作用下，螺母通过滚珠丝杆平行移动在横曾上，同时也带动了丝杆螂母，

14、丝杆在直留上移动，手臂的升降得以实现.图2.2机械手机臂与夹持部件总装三维图图2.3二维示意图2.6机械手的技术参数(1)用途：数控机床自动上下料(2)设计技术参数：I、抓重：600g(夹持式手部)2、自由度数：4个自由度3、坐标：直角坐标型4、横臂手臂长度:2180mm5、手博最大高度：2769.5mm6、手臂运动参数升降行程：92Omm升降速度：167mm7、手腕运动参数回转范围：0-1803机械手手爪的三维设计第3章机械手手爪的三维设计3.1手部设计基本要求(D应当有一定的驱动力和夹紧力。并考虑在夹紧力差不多的条件下，不同的传动及适应的驱动力大小也有所不同。(2)手指的张合范围达到要求，

15、具备的开合角度(张合的角度)范围足够)，以便于抓取工件。(3)要求在本身强度和刚度都能保证的条件下，使用高效率、轻重量且具有紧涛结构的材质，有利于手普负载的减轻“(4)应当对手爪的夹持精度进行保证。3.2典型的手部结构包括有回转型、移动哒和平面平移型。3.3机械手手爪的设计计算3.3.1选择手爪的类型及央紧装置本文是针对圆柱形物块进行抓取的机械手进行设计的.依据握持工件的不同原理，将工业机械手分为吸附和夹持两种类型。前苕适用于比较平整、且有一定面积的板状物体，同本设计不相符：因此，本设计使用夹持式机械手，按照运动方式的不同分为平移型和回转型。前者张合于爪时是依靠平行移动，它的优势在于构造非常简单，并且轴心的位置不会受到工件尺寸变化的影响，非常适合平板类材料，而且夹持误差的发生率很低。因此，本设计选择平移型手爪。运行方式为直齿轮在电机的带动下，再带动丝杠运转，使手爪形成张合，零件在被手爪抓到时，电机的运行工作也会停止，手爪自锁并帮助零件移动。丝杆电机手爪接触块图3.1二推手爪结构图3.3.2手爪夹持范围计算毛坯加工尺寸：D2O3O长度：100左右毛坯质量：约246g-555g装夹深度：约25mm纵向和横向定位精度分别为：0.InimImm手爪接触块是橡胶，具有高强度、大弹力、优良电绝缘性的优点，目.耐旱耐磨、防撕裂。图3,2手爪橡胶3.3.