河南机电高等专科学校
《机器人应用技术》课程作品
设计说明书
作品名称：多功能机械手___________________
专业：机电一体化技术_________________
班级：机电124班_____________________
扣号：
姓名：流星
2014年10月1日
1.本设计（论文）课题来源及应达到的目的：
目前，我国大多数工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，其劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化和无人化。
2.本设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工
.作要.求等.L：
分工：
XX主要负责查阅各种资料为产品设计提供各种素材图片，以及完成机械结构的简图
CAD 画制和机械手第一级的回转机构的拼装，替换有问题的电线；
XX和XX主要负责平移机构和仰俯机构的制造拼装以及整体机械结构的拼装调试和机械手爪的拼装，共同完成慧鱼软件的程序编程和把接线盒和电脑电机行程开关连接在一起并完成排线的工作。
以上是产品设计开始时确定的任务，在产品的拼装中任务的执行各有参与，很多的机构是共同讨论得出的结论。
技术要求：各部件连接稳固，各机构运动灵活，能够灵活编程。
工作要求：产品实用、结构简单、工作稳定。
成绩:
教师（签名）：年月日
目录
一课题概述 (2)
1、选题背景 (2)
2、发展现状和趋势 (3)
3、研究调研 (4)
二机械手组成及工作过程 (6)
1、整体结构分析 (6)
2、所需器材 (6)
3、底座部分 (8)
4、躯干部分 (9)
5、上臂部分 (10)
6、手爪部分 (11)
7、机械手系统的总调试 (12)
三软件部分 (13)
1、机械手软件编制流程图 (13)
2、机械手运行控制程序图 (14)
四设计体会 (15)
一课题概述
1、选题背景随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替
人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举
两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为
普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC 中一
个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造
单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我
国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模
和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业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
设计具有重要意义。
在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc 编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。
这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运
功能具有很强的实用性能。
2、发展现状和趋势
目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、
计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
图i-i 国内机械手
国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传
统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等咼端行业发展。
图1-2国外机械手
3、研究调研
工业机械手的结构形式主要有四种：直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构和关节型结构。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下：
(1)直角坐标机械手结构特点
直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的。由于
直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
(2)圆柱坐标机械手结构特点
圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，
常用于搬运作业。
(3)球坐标机械手结构特点
球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，主要应用于
搬运作业。
(4)关节型机械手结构特点
关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工
业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为
水平关节型和垂直关节型两种。
由于本课题设计的内容为搬运机械手，因此选择球坐标机械手，这种机械手结构简单、成本较低，主要应用于搬运作业。
二机械手组成及工作过程
1、整体结构分析
如图2-1 所示，此机械手有底座转动的自由度、躯干前后移动的自由度、机械手上下运动的自由度机，总共三个自由度。另外机械手爪有夹紧和松开物体的功能。由三个电机控制三个方向的运动，一个控制机械手整体结构的回转；一个控制躯干前后平移运动；一个通过丝杠螺母的牵引来控制机械手的仰俯运动。当然还有一个电机用来控制机械手本身的夹紧和松开。为了实现准停和对电机的保护我们使用了七个的限位开关用来控制运动的位置。由于手爪本身结构的限制手爪抓紧用延时来控制。这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。
然后通过pc 编程调试观察机械手的运动是否达到应有的技术水平，并作出相应的改变以及对编程数据的修改等。
图2-1 机械手整体实物图
2、所需器材
此机械手用到了四个电机，由于底座部分负载较大，采用了大
功率直流【9v 瓦】电机，其他部分负载相对较小，采用了普通直
流电机【9V 双向】
图2-2 慧鱼机器人中普通电机和大功率电机
此外，此机械手还用到了7 个行程开关，用来限制各运动部件的位置以及保护电机与机械部件，通过编程为各运动部件之间添加了逻辑关系。底座部分用到两个行程开关，躯干部分用到两个行程开关，上臂部分用到两个行程开关，手爪部分用到一个行程开关，七个行程开关均采用常闭触电（即在程序中
1-0 的对应表示）