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挖掘机机械手臂的结构设计
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挖掘机机械手臂的结构设计
摘要：本文在搜集了国内外挖掘机相关资料的基础上，对挖掘机的技术发展动态进行了分析总结。再对挖掘机的各宗工况进行了分析，系统总结了挖掘机动臂的设计要求。设计上主要致力于分析和设计小型液压挖掘机的机械动臂。选择了国内的质量和技术性能都接近设计要求的挖掘机作为参考，并在此基础上研究了国内外的先进机型，对挖掘机动臂的个组成部分进行分析。机械动臂作为工作装置时挖掘机的重要组成部分，对挖掘机性能有着十分重要的影响。国内外工程机械企业都十分重视对工作装置的设计。要使工作装置的结构件设计得到不要可靠而又经济的结构尺寸和形状，就必须采用先进的设计手段。而借助的计算机硬件和软件技术是实现设计优化的重要途径。
关键词：设计要求、工作装置、设计优化
目录
1 引言挖掘机发展概况 (1)
1.1 挖掘机的发展历史 (1)
1.2 挖掘机的类型及发展趋势 (2)
1.3 挖掘机机械动臂结构的分析研究 (3)
2 机械动臂的设计 (5)
2.1 设计方案原则 (5)
2.2 确定后臂、前臂、铲斗的结构形式 (5)
2.2.1 确定后臂的结构形式 (5)
2.2.2 确定前臂的结构形式 (6)
2.2.3 确定铲斗的结构形式 (7)
2.2.4 铲斗与前臂液压缸的连接方式 (8)
2.3 确定后臂、中臂、前臂油缸的铰点布置 (8)
2.3.1 后臂油缸的布置 (8)
2.3.2 中臂油缸的布置 (9)
2.3.3 确定前臂油缸铰点应考虑以下因素 (10)
2.4 机械动臂工作装置的运动仿真 (11)
2.5 机构参数的选择 (11)
2.5.1 反铲装置总体方案的选择 (11)
3 机械手臂三维造型 (13)
3.1 铲斗的造型设计 (13)
3.2 铲斗连杆的造型设计 (14)
3.3 铲斗摇杆的造型设计 (14)
3.4 底座的造型设计 (15)
3.5 后臂的造型设计 (15)
3.6 后臂油缸活塞的造型设计 (16)
3.7 后臂油缸的造型设计 (16)
3.8 前臂的造型设计 (17)
3.9 前臂油缸的造型设计 (17)
3.10 前臂油缸活塞的造型设计 (18)
3.11 中臂油缸的造型设计 (18)
3.12 中臂油缸活塞的造型设计 (19)
3.13 机械手臂的装配 (19)
结论 (21)
致谢 (22)
参考文献 (23)
1 引言挖掘机发展概况
1.1 挖掘机的发展历史
挖掘机从发明到现在已经走过178年的历史，期间经历过从人力到蒸汽再到液压驱动。作为工程机械行业里的“明珠”，挖掘机的发明和发展对节省人力提高工作效率发挥了巨大作用。最早的挖掘机是以人力或畜力为动力，用于挖深河底的浚泥船，铲斗容量一般不超过0.2～O.3立方米。
图1.1挖掘机
1833～1836年，美国人奥蒂斯设计和制造了第一台蒸汽机驱动、铁木混合结构、半回转、轨行式的单斗挖掘机，生产率为35立方米／时，但由于经济性差没有应用。19世纪70年代经过改进的蒸汽铲正式生产并应用于露天矿剥离。1880年又出现了第一批以拖拉机为底盘的半回转式蒸汽铲。20世纪初至40年代末，挖掘机进入动力和行走装置多样化的阶段。1910年，出现了第一台电机驱动的单斗挖掘机；1912年出现了汽油机和煤油机驱动的全回转式单斗挖掘机；1916年出产了柴油发电机驱动的单斗挖掘机；1924年柴油机直接驱动开始用于单斗挖掘机上；履带式行走装置于1910年开始采用。轮胎式行走装置随着汽车工业的发展，广泛用于小型挖掘机。30年代，出现了步行行走装置。
50年代中期，德国和法国相继研制出全回转式液压挖掘机，从此挖掘机的发展进入一个新阶段。多斗挖掘机也有100多年的历史。法国于1860年生产了世界上最早的、结构比较成熟的多斗挖掘机，用于苏伊士运河开挖工程。1889年，美国生产的多斗挖沟机可挖宽0.29米、深1.4米的沟渠。
19世纪末，斗轮挖掘机在德国褐煤采掘中得到广泛应用，至1958年，每个铲斗容量已达3600升。1977年，联邦德国制造了当时世界上最大的斗轮挖掘机，其生产率为24万立方米/日。由于技术的进步，液压技术开始运用到制造领域。20世纪40年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式机械，20世纪50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压机械。
初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于机械各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从20世纪60年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国机械制造厂和品种增加很快，产量猛增。
1.2 挖掘机的类型及发展趋势
常见的挖掘机按驱动方式有内燃机驱动挖掘机和电力驱动挖掘机两种。其中电动挖掘机主要应用在高原缺氧与地下矿井和其它一些易燃易爆的场所。
按照规模大小的不同，挖掘机可以分为大型挖掘机、中型挖掘机和小型挖掘机。
按照行走方式的不同，挖掘机可分为履带式挖掘机和轮式挖掘机。
按照传动方式的不同，挖掘机可分为液压挖掘机和机械挖掘机。机械挖掘机主要用在一些大型矿山上。
按照用途来分，挖掘机又可以分为通用挖掘机，矿用挖掘机，船用挖掘机，特种挖掘机等不同的类别。
按照铲斗来分，挖掘机又可以分为正铲挖掘机、反铲挖掘机、拉铲挖掘机和抓铲挖掘机。正铲挖掘机多用于挖掘地表以上的物料，反铲挖掘机多用于挖掘地表以下的物料。
上个世纪末，我国工程机械就进入到一个与狼共舞的时代，像装载机市场原来几乎是国产机一统天下，但转眼之间就进入到了与别人分食市场的时代，而且再也回不到独享国内市场的时代，原来我们赖以生存的产品价格优势转瞬即逝，而产品的技术还未进一步提升就遭遇到国际巨头的挑战。再看工程机械之王的挖掘机，过去几乎是外资品牌统一天下，经过十年不懈地努力，却也逐步争得了国内市场三分天下的非凡业绩。就目前国产挖掘机的发展状况，及在今年展会上看到各企业所展现的一些亮点分述如下：
首先是注重人性化的技术提升。过去在国产挖掘机的开发设计中，一直是以功能性开发为主导，保证可靠性与可维修性提升，但随着进口挖掘机和二手机不断冲击，一些人性化的设计理念全面进入到液压挖掘机的开发设计当中。如展会大家所看到的，带空调的密封驾驶室，配有安全可调设施的座椅，方便的操作控制手柄，视野良好的显示屏幕，倒车视镜及报警装置等。
其次是注重细节性的制造工艺提升。由于国产挖掘机是过去通过引进消化国
外技术进行开发的，在制造过程中先追求的是注重外形相近的形似，后来逐步提升到功能的不断改进，细节不断完善，现在参加展会的国产挖掘机大家就有了一种神形兼备的感觉了，这个也是各制造企业不断加强制造细节提升的结果。如展会大家看到的国产挖掘机，比以往在外观件制造细节上有了明显提升，内部的液压管路布置，电器线的布置都有很大改观，包括结构件的焊接细节皆有变化等。
第三是注重规模化的品质提升。目前的主要挖掘机制造企业大都具备了批量生产的能力，过去由于各企业生产规模局限，产品的零部件生产制造质量很难得到较好地保证，客户的抱怨也比较多，特别是零部件的可靠性和互换性，大多企业都经历过客户的严重不满，有时候可以看到参加展会的同一厂家，相同挖掘机在个别地方也有不同之处，现在仔细看一下，比过去就有很大进步。
第四是注重整机性能的创新提升。挖掘机产品是工程机械企业多年引进吸收，不断攻关提高，逐步开发具有较高技术含量的工程机械产品，而且由于其作业对象复杂，使用条件苛刻，操作性能精准要求等，几乎是在接近破坏性标准作业的一种特殊工程机械。加之其经常处于施工作业流程的顶端，直接关乎施工的质量与进度，所以这个众所瞩目的机械在施工作业过程中，一直是一个首当其冲的机械设备。而且挖掘机是一种多用途机械，增加一些辅助作业装置后可以进行不同作业操作，在不断完善整机主要性能提升的同时，各个企业也都开始进行其它性能的创新开发，也是这十年来挖掘机不断创新的一个亮点。如展会上大家看到的几个主要的挖掘机生产企业都推出了整机性能多样化的创新产品。
1.3 挖掘机机械动臂结构的分析研究
本文通过对挖掘机的机械机械手臂的观察和了解，对挖掘机机械手臂进行研究，对挖掘机的动力臂尺寸设计，铲斗容量等进行设计，实现挖掘机机械手臂的运动与循环工作。
液压反铲工作装置一般由后臂、后臂液压缸、中臂液压缸、前臂、前臂液压缸、铲斗、底座、连杆和摇杆等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘过程中的各种动作。
后臂的下铰点与回转平台铰接，并以后臂液压缸来支承动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂的升降。前臂铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，前臂与动臂的相对转角由中臂液压缸控制，当前臂液压缸伸缩时，前臂即可绕动臂上铰点转动。铲斗则铰接于前臂的末端，通过前臂液压缸的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗的转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆和摇杆）与铲斗连接。
图1.2整体式弯动臂
液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面以下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为，先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作装置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，但挖掘力小一些。转斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般由铲斗液压缸实现的。由于挖掘力大且挖掘行程短，因此转斗挖掘可用于清除障碍或提高生产率。在实际工作中，熟练的液压挖掘机人员可根据实际情况，合理操纵各个液压缸，往往是各液压缸联合工作，实现最有效的挖掘作业。例如，挖掘基坑时由于挖掘深度较大，并要求有较陡而平整的基坑壁，则采用动臂和斗杆同时工作；当挖掘基坑底时，挖掘行程将结束，为加速装满铲斗，或挖掘过程中调整切削角时，则需要铲斗液压缸和斗杆液压缸同时工作。本次设计斗容量0.2m3挖掘机的机械手
臂。
2 机械动臂的设计
2.1 设计方案原则
设计合理的工作装置应能满足下列要求：
①．主要工作尺寸及作业范围能满足要求，在设计通用反铲装置时要考虑与同类型、同等级机器相比的先进性。考虑国家标准的规定，并注意到结构参数受结构碰撞限制等的可能性；
②．具有一定的先进性；
③．功率利用情况尽可能好，理论工作时间尽可能短；
④．确定铰点布置，结构型式和截面尺寸形状时尽可能使受力状态有利，在保证强度、刚度和连接刚性的条件下尽量减轻结构自重；
⑤．作业条件复杂，使用情况多变时应考虑工作装置的通用性。采用变铰点构件或配套构件时要注意分清主次，在满足使用要求的前提下力求替换构件种类少，结构简单，换装方便；
⑥．装置的结构型式和布置便于装拆和维修，尤其是易损件的更换；
⑦．要采取合理措施来满足特殊使用要求
2.2 确定后臂、前臂、铲斗的结构形式
2.2.1 确定后臂的结构形式
后臂是工作装置中的主要构件，前臂的结构形式往往决定于后臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。
图2.1后臂
直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂
在弯曲处的结构形状和强度值得注意，有时采用三节变动臂有利于降低弯曲处、的应力集中。
整体式动臂结构简单、价廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。
组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。
组合式动臂与整体式动臂相比各有优缺点，它们分别适用于不同的作业条件。组合式动臂的主要优点是：
①．工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整。当采用螺栓或连杆连接时调整时间只需十几分钟，采用液压缸连接时可以进行无级调节；
②．较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而较简单地解决主要构件的统一化问题。因此其替换工作装置较多，替换也方便。一般情况下，下动臂可以适应各种作业装置要求，不需拆换；
③．装车运输比较方便；
④．由于上述优点，组合式动臂结构虽比整体式动臂复杂，但得到了较广泛的应用。尤以中小型通用液压挖掘机作业条件多时采用组合式动臂较为合适。本次设计作业条件比较单一，所以动臂选用整体式动臂。
2.2.2 确定前臂的结构形式
前臂也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机都采用整体式前臂，当需要调节前臂长度或杠杆时采用更换前臂的办法，或者在前臂上设置2～4个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔。有些反铲采用组合式前臂。
图2.2前臂
机器人测控技术 大作业课程设计 课程设计名称：基于STM32的机械臂运动控制分析设计专业班级：自动1302 学生姓名：张鹏涛 学号：201323020219 指导教师：曹毅 课程设计时间：2016-4-28～2016-5-16 指导教师意见： 成绩: 签名：年月日 目录 摘要.............................................................................................................................. I V 第一章运动模型建立................................................................................................. V
1.1引言............................................................................................................. V 1.2机器人运动学模型的建立........................................................................... V 1.2.1运动学正解................................................................................... VII 第二章机械臂控制系统的总体方案设计............................................................. VIII 2.1机械臂的机械结构设计........................................................................... VIII 2.1.1臂部结构设计原则...................................................................... VIII 2.1.2机械臂自由度的确定..................................................................... I X 2.2机械臂关节控制的总体方案...................................................................... I X 2.2.1机械臂控制器类型的确定............................................................. I X 2.2.2机械臂控制系统结构...................................................................... X 2.2.3关节控制系统的控制策略.............................................................. X 第三章机械臂控制系统硬件设计............................................................................ X I 3.1机械臂控制系统概述.................................................................................. X I 3.2微处理器选型............................................................................................ XII 3.3主控制模块设计........................................................................................ XII 3.3.1电源电路....................................................................................... XII 3.3.2复位电路...................................................................................... XIII 3.3.3时钟电路...................................................................................... XIII 3.3.4 JTAG调试电路 ........................................................................... X IV 3.4驱动模块设计........................................................................................... X IV 3.5电源模块设计........................................................................................... X VI 第四章机械臂控制系统软件设计........................................................................XVII 4.1初始化模块设计......................................................................................XVII 4.1.1系统时钟控制.............................................................................XVII 4.1.2 SysTick定时器......................................................................... XVIII 4.1.3 TIM定时器 ................................................................................. X IX 4.1.4通用输入输出接口GPIO ............................................................ XX 4.1.5超声波传感器模块....................................................................... XX 总结........................................................................................................................... X XI 参考文献..................................................................................................................XXII 附录A .................................................................................................................... XXIII 附录B .................................................................................................................... XXIV
基于单片机的机械臂控制系统设计与制作 电子信息科学与技术专业 学号： 姓名： 班级：电科081 日期：2011.10.26
目录课程设计题目及要求 第一章绪论 1.1 设计题目及要求 1.2 设计内容 第二章硬件设计 2.1 硬件结构图 2.2 各模块工作原理及设计 2.2.1 控制模块 2.2.2 显示模块 2.2.3 按键模块 2.2.4 舵机模块 2.3 软件程序设计 第三章硬件制作以及程序的下载调试 3.1 电路板的制作 3.2 元器件的焊接 3.3 程序的下载与调试 第四章总结 4.1 课程设计体会 4.2 奇瑞参观感受
课程设计题目及要求 题目：基于单片机的机械臂控制系统设计与制作 实习内容： 1，完成基于单片机的机械臂控制系统原理图和PCB的绘制，在基本要求的基础上自己可以作一定的扩展； 2，利用热转印纸、三氯化铁腐蚀液等完成PCB板的制作； 3，完成相应电路的焊接和调试； 4，完成相应软件程序的编写； 5，完成软、硬件的联调； 6，交付实习报告。 实习要求： 1，两人一组，自由搭配，但要遵循能力强弱搭配、男女搭配、考研和不考研的搭配； 2，充分发挥主观能动性，遇到问题尽量自己解决，在基本要求基础上可自由发挥； 3，第一次制作电路，电路不可追求复杂； 4，注意安全！熨斗、烙铁。
第一章绪论 单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用广泛，发展迅速。单片机集体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求低、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易等众多优点，以广泛用于工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，无论在民间、商业、及军事领域单片机都发挥着十分重要的作用二十一世纪，随着机械化、自动化水平的不断提高，不仅减轻了劳动强度、提高生产率，而且把人类活动从危险、恶劣环境中替换出来。而其中机器人技术，显示出极大的优越性；在宇宙探索、海洋开发以及军事应用上具有重要的实用价值。大力发展机器人技术，一方面能让社会从劳动苦力型转换到福利休闲型，另一方面能极大的提高民众的幸福感。在新时期的世界各国，随着应用日益广泛，机器人技术将不断发展并走向成熟。 本次课程设以单片机作为控制器实现对机械手臂的简单控制。在单片机最小系统的基础上扩展按键接口和舵机接口以及LED显示器，构成最简单的机械臂控制系统。
工业机械臂结构设计 1）连杆 设计步骤如下： 1．选择“前视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。
2．点选拉伸特征图标, 在属性管理器中输入：终止条件：两侧对称，拉伸高度值15mm，确定，完成实体造型1。 3．选择“右视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。
4．点选切除-拉伸特征图标,在属性管理器中输入拉伸高度值61mm，确定，完成实体造型2。 5．选择图示边线，点选圆角特征按钮，添加半径为5mm的圆角。完成连杆实体造型如图所示。 2）连接件1 1．选择“前视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。
2．点选拉伸特征图标, 在属性管理器中输入：终止条件：两侧对称，拉伸高度值4mm，确定，完成实体造型。 3）连接件2 1．选择“前视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。 2．点选拉伸特征图标,在属性管理器中输入终止条件：两侧对称，拉伸高度值15mm，确定，完成实体造型。 3．选择“上视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。
4．点选切除-拉伸特征图标, 在属性管理器中输入终止条件：给定深度，拉伸高度值12mm，确定，完成实体造型2。 5．选择图示表面作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。 6．点选切除-拉伸特征图标,在属性管理器中输入拉伸高度值40mm，确定，完成实体造型3。7．选择“前视基准面”作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。 8．点选拉伸特征图标,在属性管理器中输入终止条件：两侧对称，拉伸高度值12mm，确定，完成实体造型。 9．选择图示表面作为草图绘制平面，绘制草图1，如图3-69所示。
工业机器人球坐标型机械臂结构设计毕业论文1 绪论 1.1 课题背景 工业机器人在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，工业机械臂尤为如此，因此设计实用、高效的机械臂对于机械设计者来说是义不容辞的责任，对于毕业的大学生也是一个实时、富有意义和挑战的课题。 工业机器人自20世纪60年代问世以来，其研究和开发在工业发达国家中一直备受青睐。尽管各国对机器人的定义不尽相同，但都有可编程、拟人化、通用性等特点，是一种融机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制技术等多学科为一体的高新技术产品。随着相关支撑学科的长足发展，工业机器人的研究和开发正在突飞猛进，其应用领域进一步扩大。我国机器人技术的研究工作起步较晚，虽已取得较大发展，但较之发达国家的水平仍有较大距离，应积极探索适合我国国情的工业机器人应用思路，开发低成本、高性价比的实用型工业机器人。 机器人自诞生之日起，便显示出其强大的生命力，机器人首先在工业生产中得到了广泛应用，并给传统工业带来了质的飞跃。它不仅提高了传统产业的自动化程度，提高了劳动生产率而且还推动了以资源消耗低环境污染少为特征的新型工业的诞生随着人类在机械工程、电气工程、微电子技术、计算机技术、控制论、传感技术、信息学、声学、仿生学、及人工智能等学科领域的飞速发展，机器人技术的应用也正在向农业、林业、畜牧、养殖、海洋开发、宇宙探索、国防建设、安全救济、生物医学、服务娱乐等新领域拓展开来，并已取得显著进展，机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。 机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地
机械臂控制系统的设计 1 引言 近年来，随着制造业在我国的高速发展，工业机器人技术也得到了迅速的发展。根据负载的大小可以将机械臂分为大型、中型、小型三类。大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小的场合。随着国外工业机器人技术的不断发展，尤其是一些中小型机器人，它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠的特点，甚至研发出更为轻巧的控制箱，可以在工作区域随时移动，这样大大方便了工作人员的操作。在工业机器人的应用中最常见的是六自由度的机械臂。它是由6个独立的旋转关节串联形成的一种工业机器人，每个关节都有各自独立的控制系统。 2机械臂硬件系统设计 2.1 机械臂构型的选择 要使机器臂的抓持器能够以准确的位置和姿态移动到给定点，这就要求机器人具有一定数量的自由度。机器臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。为了使安装在双轮自平衡机器人上的机械臂能够具有完善的功能，能够完成复杂的任务，将其自由度数目定为6个，这样抓持器就可以达到空间中的任意位姿，并且不会出现冗余问题。在确定自由度后，就可以合理的布置各关节来分配这些自由度了。 由于计算数值解远比封闭解费时，数值解很难用于实时控制，这样，后3个关节就确定了末端执行器的姿态，而前3个关节确定腕关节原点的位置。采用这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构及其后面串联的定向结构或手腕组成的。这样设计出来的机器人都具有封闭解。另外，定位结构都采用简单结构连杆转角为0或90°的形式，连杆长度可以不同，但是连杆偏距都为0，这样的结构会使推倒逆解时计算简单。 定位机构是涉及形式主要有以下几种：SCARA型机械臂，直角坐标型机械臂，圆柱坐标型机械臂，极坐标型机械臂，关节坐标型机械臂等。 SCARA机械臂是平面关节型，不能满足本文对机械臂周边3维空间任意抓取的要求；直角坐标型机械臂投影面积较大，工作空间小；极坐标方式需要线性移
工业机器人球坐标机械臂结构设计 摘要 在装配机器人中，球坐标型装配机器人（极坐标型）是应用非常广泛的一种装配机器人。本文设计的工业机器人既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求，用于教学实验，它能够使人更直观地了解机器人机构组成、动作原理等，所以开发球坐标型机器人具有广泛的实际和应用前景，本课题的研究工作正是在这样的背景下提出来的。 本文设计的工业机器人球坐标型机械臂具有下列特点:通用性好、重复定位精度高、体积小、重量轻、外形美观、适于观察、成本低，对其本体的可行方案进行了充分的论证后，设计成具有三自由度的结构，由机身、大臂及小臂组成，行星齿轮减速器、同步齿型带、丝杠螺母等组成了工业机器人球坐标型机械臂简单可靠的传动方案，该机器人的三个关节均选用直流伺服电机驱动。 关键词工业机器人；极坐标型机械臂；球坐标型机械臂/结构设计
Industrial Robot Spherical Coordinates Robotic Arm Structure Design ABSTRCT In assembly robots, ball coordinates type assembly robot (namely polar type) is a kind of very extensive assembly robot. The paper presents the desion of industrial robot can be used either for practical production,and can be used in experiment teaching and scientific research.Applied to practical production.It can satisfy the assembly work content change frequent requirements,used in teaching experiments.It can make a person more intuitively understand robot mechanism composition,action principle,etc.Therefore, the development goals coordinates type of robot has extensive practical and application prospects of this topic research work,and it is in this context brought out. The paper presents the design of industrial robot ball coordinates type has the following characteristics: the mechanical arm high universality,repositioning high precision,small volume,light weight,good appearance,suitable for observation,low cost and feasible scheme for its ontology adequate argument,designed to have three degrees of freedom,the fuselage,big structure composed,planets and forearm arm,and synchronizing gear reducer cog-type belt,screw nuts etc the industrial robot mechanical arm ball coordinates type a simple and reliable transmission scheme,the robot are chosen for the three joint dc servo motor driver. KEY WORDS Industrial robot/polar type mechanical arm/ball coordinates type mechanical arm/structure design
基于PLC机械手控制系统设计 摘要 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。 本文主要论述了基于PLC设计的机械手控制系统。首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。 关键词：工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈
Abstract With the development of modern industrial technology, industrial automation technology is more and more high, the production conditions also tended to bad situation, the front-line workers skills also put forward higher requirements, and the operation safety of workers has also been a corresponding threat. The workers work environment and work content also requires ideal for some simple, reciprocating work by robot remote control or automatic completion is very important This can avoid some people can not contact with the human body damage, such as metallurgy, chemical, pharmaceutical, aerospace, etc.. In the mechanical manufacturing industry, the application of mechanical hand more, the development of faster. At present, it is mainly used in machine tools, forging press under the material and welding, painting and other operations, it can be in accordance with pre established operating procedures to complete the prescribed operation, and some also have with sensor feedback ability, can cope with external changes. Application of the manipulator, to improve the material transfer, workpiece loading and unloading, tool replacement and machine assembly automation, which can improve labor productivity, reduce production costs, accelerate the pace of industrial production mechanization and automation. This paper mainly discusses the design of manipulator control system based on PLC. First, the possible use of the programmable controller is related to the introduction, and then choose the design of the PLC model. Then, through the control mode of the manipulator and the realization way of each function, the realization scheme of each function and the equipment used in the design control system are determined. Finally, the software program and hardware structure of PLC control system are designed. Keywords: industrial; automation programmable controller ; manipulator； Remote control；sensor feedback
机械设计的结构要素 一、机械结构件的结构要素与设计方法 1、1 结构件的几何要素 机械结构的功能主要就是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。零部件的几何形状由它的表面所构成,一个零件通常有多个表面,在这些表面中有的与其它零部件表面直接接触,把这一部分表面称为功能表面。在功能表面之间的联结部分称为联接表面。 零件的功能表面就是决定机械功能的重要因素,功能表面的设计就是零部件结构设计的核心问题。描述功能表面的主要几何参数有表面的几何形状、尺寸大小、表面数量、位置、顺序等。通过对功能表面的变异设计,可以得到为实现同一技术功能的多种结构方案。 1、2 结构件之间的联接 在机器或机械中,任何零件都不就是孤立存在的。因此在结构设计中除了研究零件本身的功能与其它特征外,还必须研究零件之间的相互关系。 零件的相关分为直接相关与间接相关两类。凡两零件有直接装配关系的,成为直接相关。没有直接装配关系的相关成为间接相关。间接相关又分为位置相关与运动相关两类。位置相关就是指两零件在相互位置上有要求,如减速器中两相邻的传动轴,其中心距必须保证一定的精度,两轴线必须平行,以保证齿轮的正常啮合。运动相关就是指一零件的运动轨迹与另一零件有关,如车床刀架的运动轨迹必须平行于于主轴的中心线,这就是靠床身导轨与主轴轴线相平行来保证的,所以,主轴与导轨之间位置相关;而刀架与主轴之间为运动相关。 多数零件都有两个或更多的直接相关零件,故每个零件大都具有两个或多个部位在结构上与其它 零件有关。在进行结构设计时,两零件直接相关部位必须同时考虑,以便合理地选择材料的热处理方式、形状、尺寸、精度及表面质量等。同时还必须考虑满足间接相关条件,如进行尺寸链与精度计算等。一般来说,若某零件直接相关零件愈多,其结构就愈复杂;零件的间接相关零件愈多,其精度要求愈高。 1、3 结构设计据结构件的材料 机械设计中可以选择的材料众多,不同的材料具有不同的性质,不同的材料对应不同的加工工艺, 结构设计中既要根据功能要求合理地选择适当的材料,又要根据材料的种类确定适当的加工工艺,并根据加工工艺的要求确定适当的结构,只有通过适当的结构设计才能使所选择的材料最充分的发挥优势。 设计者要做到正确地选择材料就必须充分地了解所选材料的力学性能、加工性能、使用成本等信息。结构设计中应根据所选材料的特性及其所对应的加工工艺而遵循不同的设计原则。
本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月
摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52
This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业柑橘采摘机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业柑橘采摘机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业柑橘采摘机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台五自由度的工业柑橘采摘机器人，用于给采摘水果。首先，本文将设计柑橘采摘机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建柑橘采摘机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该柑橘采摘机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和柑橘采摘机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测柑橘采摘机器人的各个关节的运动情况、柑橘采摘机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：柑橘采摘机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
机械手臂的作用、组成以及设计要求 一、机械手臂的作用和组成 1、作用 手臂一般有3个运动： 伸缩、旋转和升降。实现旋转、升降运动是由横臂和产柱去完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。 2、组成 手臂由以下几部分组成： （1）运动元件。如油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂运动的部件。 （2）导向装置。是保证手臂的正确方面及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转的力矩。 （3）手臂。起着连接和承受外力的作用。手臂上的零部件，如油缸、导向杆、控制件等都安装在手臂上。 此外，根据机械手运动和工作的要求，如管路、冷却装置、行程定位装置和自动检测装置等，一般也都装在手臂上。所以手臂的结构、工作范围、承载能力和动作精度都直接影响机械手的工作性能。 二、设计机械手臂的要求 1、手臂应承载能力大、刚性好、自重轻 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。如刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作。为此，手臂一般都采用刚性较好的导向杆来加大手臂的刚度，各支承、连接件的刚性也要有一定的要求，以保证能承受所需要的驱动力。
2、手臂的运动速度要适当，惯性要小 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要求来决定的，但不宜盲目追求高速度。 手臂由静止状态达到正常的运动速度为启动，由常速减到停止不动为制动，速度的变化过程为速度特性曲线。 手臂自重轻，其启动和停止的平稳性就好。 3、手臂动作要灵活 手臂的结构要紧凑小巧，才能做手臂运动轻快、灵活。在运动臂上加装滚动轴承或采用滚珠导轨也能使手臂运动轻快、平稳。此外，对了悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂上布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降、支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对手臂运动很不利，偏重力矩过大，会引起手臂的振动，在升降时还会发生一种沉头现象，还会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计手臂时要尽量使手臂重心通过回转中心，或离回转中心要尽量接近，以减少偏力矩。对于双臂同时操作的机械手，则应使两臂的布置尽量对称于中心，以达到平衡。 4、位置精度高 机械手要获得较高的位置精度，除采用先进的控制方法外，在结构上还注意以下几个问题： （1）机械手的刚度、偏重力矩、惯性力及缓冲效果都直接影响手臂的位置精 度。 （2）加设定位装置和行程检测机构。 （3）合理选择机械手的坐标形式。直角坐标式机械手的位置精度较高，其结构和运动都比较简单、误差也小。而回转运动产生的误差是放大时的尺寸误差，当转角位置一定时，手臂伸出越长，其误差越大；关节式机械手因其结构
三轴联动机械臂伺服运动机械结构设计 （摘要）机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事、半导体制造以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。根据结构形式的不同，机械手臂可分为多关节机械手臂，直角坐标系机械手臂、球坐标系机械手臂，极坐标机械手臂，柱坐标机械手臂等。本文所设计的机械手臂为直角坐标系机械手臂，其由三个伺服电机驱动，通过运动控制卡实现运动控制，可以实现三轴联动，分别为X移动，Y移动，Z移动。手臂的运动由三个丝杠螺母副完成，伺服电机驱动丝杠旋转，螺母副移动，从而实现三个自由度的运动。 关键词机械手臂三轴联动三个自由度 Abstract II Mechanical arm is currently the most widely practical application in the field of robot technology in automation machinery, industrial manufacturing, medical treatment, entertainment services, military, semiconductor manufacturing and other areas of space exploration can see its shadow. Despite their morphology vary, but they all have one common characteristic, that is able to accept instruction, precisely