多自由度物料搬运机械手设计
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摘要
人类社会的发展离不开科技的发展，从人类的认知开始一直到现在的智能制造时代，科技一直是第一生产力。现代社会，很多设备都是自动化比较高的，因此，不仅我们生活中的大多数产品是在流水线上生产出来的，很多高科技产品，凡是涉及大批量消费的产品，都是从流水线生产出来的，小到生活用品大到轿车、卡车等，甚至我们的高铁，都是由流水线作业生产的。但是不管是什么流水线，只要是生产流水线，其必然包含多个岗位环节，因为一个产品的生产不可能一个工艺就可以完成。那么实际情况中，大多数流水线所谓的流水，是过个工艺岗位能够依次顺畅的将产品加工、转移岗位、再加工，如此多套工艺和转运组合，才完成了一个产品的流水线加工流程。随着智能制造4.0时代的到来，很多工业机器人如雨后的竹笋大量冒出来，从而替代了很多人工从事的简单而又重复单调的工作。事实上，在很多岗位机器人都可以应用用来替代人工作业，但是在某些特殊的行业或者流水线，其生产环节的转运岗位工况简单，其动作缓解也就是转运过程也很简单，而且每个生产车间会有多个这样，供能简单，但有需求量大的流水线转运作业岗位，如果这些岗位均采用标准的工业通用机器人，那么其功能肯定能实现，但是对于随便一台工业机器人，其包含的自由度一般都是4-6个，更有甚至，比如ABB的优米机器人，其有12个自由度，像这种这些机器人，其能够完成更加复杂的动作，也能满足当前的简单转运的岗位需求。但是，由于其功能更加强大，也因此它的设备复杂程度也更高、其售价也更高，这样，像一些有较多的简单岗位需求的生产线，如果配备市场上的工业机器人，虽然能满足生产流水线的需求，但是会给企业带来巨大的生产成本和设备维护成本，会降低产品的竞争能力。
因此，本课题从简单转运的需求出发，目的是在完成流水线工位转运的需求之下，尽可能的简化设备的功能及其结构，节省设备的生产制造成本，并尽可能的降低设备的使用、维护成本。本课题针对流水线岗位的转运需求，设计一个二自由度的转运机械手，利用伺服电机驱动，配合机械手完成两个固定工位的工件转移工作。
关键词：二自由度、工位转移、机械手
Abstract
The development of human society is inseparable from the development of science and technology. From the beginning of human cognition to the present era of intelligent manufacturing, science and technology has always been the primary productive force.Modern society, many devices are high automation, therefore, not only the most of life's products are produced on assembly line, a lot of high-tech products, all relating to the mass consumer products, from the assembly line production, products for the small to big to cars, trucks, etc., and even our high-speed rail, is produced by assembly line work.However, no matter what the assembly line is, as long as it is a production line, it must contain multiple job links, because the production of a product cannot be completed by a single process.In practice, the so-called flowing water of most assembly lines is that the products can be processed, transferred and reprocessed smoothly through a process post. Only by combining so many processes and transshipment can the assembly line process of a product be completed.With the arrival of the era of intelligent manufacturing 4.0, a large number of industrial robots emerge like bamboo shoots after rain, thus replacing many simple and repetitive monotonous tasks performed by human beings.In fact, in many jobs robots can be applied to replace manual operations, but in some special industry or assembly line, the working condition of the production transfer station is simple, its action to ease transport process is very simple, and can have several in this way, each production workshop power is simple, but have a big demand for pipeline transport work post, if these positions adopt standard industrial general robot, then certainly can realize its function, but for an industrial robot casually, it contains the degrees of freedom is commonly 4 to 6, have even more, such as ABB China robot, it has 12 degrees of freedom,These robots, like this one, are capable of performing more complex movements, as well as meeting current job requirements for simple transport.However, due to its more powerful, and therefore its equipment complex degree is higher, its price is higher, so, like some of the more simple jobs demand production line, if equipped with industrial robots on the market, although can meet the needs of production line, but the cost of production will bring huge and equipment maintenance costs, will reduce the competition ability of the products.
Therefore, starting from the demand of simple transportation, the purpose of this project is to simplify the function and structure of the equipment as much as possible, save the production cost of the equipment, and reduce the use and maintenance cost of the equipment as much as possible under the demand of completing pipeline station transportation.According to the transfer requirements of the assembly line, this paper designs a two-degree-of-freedom transfer manipulator, which is driven by a servo motor and coordinates with the manipulator to complete the workpiece transfer of two fixed stations.
Keywords：Two degrees of freedom、Transfer station 、manipulator
目录
摘要 (2)
Abstract (3)
目录 (4)
第1章机械手搬运的背景及意义 (1)
1.1物料搬运的发展 (1)
1.2 国内外机械手搬运发展现状 (2)
1.3 搬运方案的初步构思 (6)
第2章物料搬运机械手方案设计 (9)
2.1产品应用环境要求及性能参数 (9)
2.2 初步设计方案 (9)
2.3 方案对比确定 (11)
2.4运动分析 (11)
第3章物料搬运机械手详细设计 (15)
3.1各驱动电机计算选型 (15)
3.1.1夹具旋转电机选型计算 (15)
3.1.2 升降电机计算选型 (18)
3.1.2 回转电机计算选型 (19)
3.2 机械手结构设计 (23)
3.2.1 夹具齿轮计算 (23)
3.2.2升降丝杠结构设计 (25)
3.2.3升降和横梁的设计 (30)
第4章关键零部件校核 (33)
4.1 轴承校核 (33)
4.2 夹具齿轮强度校核 (37)
第5章机械手控制方案原理简述 (48)
总结 (49)
致谢 (50)
参考文献 (51)
第1章机械手搬运的背景及意义
1.1物料搬运的发展
物料的搬运时人类的一个基本劳作形态，从人类诞生开始，一直在不停从事这种简单但又必需的动作，在人类文明的发展过程，搬运的基本需求一直没变，变的是搬运的方式和工具，从最早起人类就开始利用智慧来搬运，比如埃及的胡夫金字塔、中国的长城等，虽然这些都是人力完成，但其完成过程中必然是人类根据当时的认知和智慧，采用一定的工具所完成，因此，搬运的起源可谓是人类与生俱来的本能。
图1.1 埃及金字塔图1.2 中国长城随着人类文明的进步，更多借助自然界的能源进行从事搬运工作，也有了更多的发展，比如很多情况下利用风能、水能等的事例实在是枚不胜举，比如早期的人类在航海的时候给船装上风帆，不管是航海还运送货物都将大大节省人力，还有在江河边的取水车，像我国的黄河水车等，这都是人类再通过思考后尝试利用大自然的能力实现搬运的结果。
现代社会，搬运依然是社会发展的主要生产力方式，人们的生活、生产、娱乐都离不开各种各样的搬运，生活中我们对食物的搬运、购买食材并搬运到家里、对生活必需品的购买并搬运到家里等，那么在生产中比如原料的搬运、加工后零部件的搬运转移等，在娱乐方面，比如KTV酒水的运送、滑雪场滑具的搬运等[1]。总之一句话，搬运工作是人类历史上最古老的行业，也是最悠久的行业，但又是人类社会永久需求的工作。随着科技的进步，人类开始认知到自身搬运和仅仅借助自然界搬运的局限性，因此借助自然界能源不一定能完全满足人们搬运的要求，或许，从而开始思考采用更多的外部能源或者设备进行实现搬运的工作，更多的是借助机械化的设备的搬运越来越多，小到人工助力搬运，比如人力叉车、手推车等，大到超大型吊车、港口吊车。但是其根本的工作目的还是搬运[2]。当然随着科技的进一步发
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展，人类已经从常规的搬运进一步在微观的和宏观的两个极端方向进行拓展搬运的应用行业，比如，在微观领域里的搬运，原子的搬运，通过原子的搬运实现纳米级的作业工作、在宏观行业的搬运，比如人类的航天运载火箭、比如上千吨的履带吊、甚至上万吨的海上装载设备等。因此，搬运、转移一直伴随着人类的发展和进步。
图1.3 港口吊机图1.4原子组成的“中国”两个字随着人类科技的进步，自动化的水平越来越高，因此很多产品都是在生产线上流水生产的，但是，在生产过程中，一个产品的生产要经历多个生产工艺的加工生产才能完成，而一般情况下一个产品的多个工艺不可能在一个工位完成，因此，就涉及了工件在多个工位的转移需求，就出现了很多的类似于输送线一样的生产线，现在很多称呼为流水线，但是即使是这样的生产线，也不可能一条输送线就能完成一个零件的所有工序，因此，就需要多条输送线一样的生产线配合才能完成一个零件的整个加工过程，那么在输送线之间的转运，就需要搬运工作，在早期的工厂里，需要转移到另外的输送线上的工作，如果是小件，直接人工完成，如果是大件，人工操作辅助设备完成，比如吊臂之类的复制设备，但是随着社会发展，人力的成本在逐渐的上升，因此，仅仅实现一个转运工作，要采用人工实施，成本太高，因此，很多企业在逐渐引进新的设备，比如工业机器人来替代人工作业[3]。
1.2 国内外机械手搬运发展现状
随着科学技术的发展，科技作为第一生产力，因此，很多的工作都采用自动化设备逐渐替代，尤其是随着智能制造时代的到来，不再是依靠人力生产的时代，是依靠自动化设备生产的时代，国外在最早研发替代人工作业的机器人方面起步比较早，经过多年的发展，全球在机器人行业有四大家族一直占据着机器人产业的大半江山，他们分别是：瑞士的ABB、日本的FANUC(发那科)、日本的YASKAWA(安川电机)以及德国的KUKA(库卡)，这四大家族在机器人行业深耕多年，尤其是应用领域经过多年的应用研究，各自都有各自的特色和应用专有领域，比如日本的FANUC，FANUC在机床领域在四大家族中也是老大中的大，其生产的机器人
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重复定位精度高，满足机床的高精度装卸工件的需求，因此，在机床领域FANUC 占据着绝对优势地位，但是其他各家也有各自的特点，瑞士的ABB 机器人，其机器人有这个更为前端的科技技术，在机器人的操作方面其视窗化的编程软件类似于windows 的操作风格一直是技术人员比较热衷的，同时ABB 机器人具备一些其他厂家还不成熟技术，比如柔性运动、比如碰撞灵敏度调节等[5]。这些ABB 机器人在通用行业有着技术和应用的双重领先优势，而日本的YASKAWA 主要应用于码垛行业，其生产的四自由度机器人，负载能力大，结构精巧，使用寿命长，应用于很多的码垛行业，而德国的kuka 机器人，能够并列为全球四大家人行业，足够说明其有自身足够的实力[6]。
图1.5 ABB 12自由度机器人 图1.6 库卡四自由度机器人
图1.7 发那科6自由度小负载机器人 图1.8 安川6自由度机器人 除了四大家族，国外有很多新兴起的机器人厂家，他们的机器人技术也日趋成熟，紧跟
在四大家族的后面，甚至在个别领域都有了超越的趋势，比如日本的川崎机器人，其在码垛
应用行业足够形成对日本YASKAWA的威胁局势，除此以外，还有韩国的现代机器人、意大利的COMAU（柯马）、爱普生等多家，通过对某一领域的精细化深耕，都有了自己的行业气候。
而国内机器人行业起步较晚，但是，随着国家对智能制造理念的提出和大力支持，国产机器人也如雨后春笋般冒了出来，同样这几年国内机器人厂家由于具备本土人文地理的优势，国产机器人在国内的行业也非常迅速的发展和拓展开来，国内目前比较主流的机器人厂家分别有以下几家[7]：由中科院院士牵头创办的新松机器人、使用自由伺服的南京埃斯顿机器人、上海的新时达、安徽的埃夫特、还有广州数控、另外有深圳的配天机器人、华数机器人以及李群自动化等，这个国产机器人通过吸收引进，在个别方向进行自主创新，最终也开拓出了自己的市场和优势领域[8]。
图1.9 上海新松机器人图1.10 南京埃斯顿机器人
图1.11 上海新时达机器人图1.12 安徽埃夫特机器人
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图1.13 广州数控机器人 图1.14 深圳配天机器人 工业机器人有多个自由度，其动作姿态能够适应更多的动作需求，因此，目前机器人已经在各个流水线开始实现替代人工作业[12]。
但是，在某些领域，本身其工序需求的转运或者转移的动作简单，如果使用通用机器人自然能够满足使用需求，可是有点大材小用，且对企业来讲，一条生产线一般需要多个工位需要转移，因此也就需要多个能够实现简单搬运功能的设备[13]，如果全部采用工业通用机器人的话是能够满足企业的使用要求，但是由于通用机器人考虑多用途，因此其功能不仅限于此，所以其硬件配置及控制等均有过多空闲，当然其设备的售价成本也会增加，因此，企业购买、安装、调试等各个环节的费用均会上涨，这对于企业来讲，不仅仅是增加了设备的采购成本，同时更进一步增加了设备的维护成本[9]。
1.3 搬运方案的初步构思
生产流水线的工位有一部分是直接在输送带的工位上，这时候在工作的过程中无需转运或者转移，仅仅是在输送带上输送到下一个工位即可，这种情况是无需任何辅助设备的，因为传动带自然会带动大下一个工位的，类似下面这种情况；
图1.15 输送带上的相邻工位
类似上图这种，工位的转移，无需任何物料搬运或者转移设备，工件在相应的工位上被处理完成以后自然会转运到下一个工位，但在很多流水线也依然存在着另外一种工况，就是不在同一个传送带上，需要将工件从一个传送带转移、转运到另外一个传送带或者是两个独立之间又没有传输带连接的工位，这个时候就需要借助相关的辅助设备来实现，上文已经叙述了，采用通用机器人的话将会大大增加采购和售后成本，因此，考虑针对这种情况设计一种特定的专用物料搬运、转移的机械臂[10]。
图1.16 相邻两个独立的工位
图1.17 相邻两个输送带之间的工位
如上图这两种相邻工位，由于两个工位之间没有传送带输送，且不便于采用传送带输送，因此在其流水线上就需要配合转移设备，使得工件在工位一加工后被转运动工位二，而这种情况一般在两个工位的中间位置布置一个简单的搬运机械手臂即可，当然这个搬运后的结果是无需考虑物料的方向或者定位角度问题，仅仅是需要实现转移工位即可，因此，本文考虑到采用一种简单的能够实现搬运、转移的机械臂的方案[11]；
根据上文的分析实现对两个工位的转移、搬运功能，因此对其功能进行初步的分析，首先需要将物料抓取，然后在转移到相邻工位，但是在转移的过程中，物料被抓取后必须升高一定的高度才能转移，而且物料运动到相邻工位的上方时，需要下降才能将工件放下，因此，这里就需要一个升降装置，另外，物料在从一个工位水平移动到另一个工位，那么这时候就需要一个水平移动功能，其工作环节流程图大致如下：
图1.18 工件搬运工作流程
根据上文的工作流程，初步构思各个动作的执行机构，一般升降采用类似滚珠丝杠竖直布置将其水平旋转运动转化为竖直的直线运动或者是采用气缸或者油缸直接输出竖直方向的直线运动，或者采用电动推杆，本文考虑到现场气源或者液压油的采用的便捷性可能并没有电源的方便，因此将考虑采用电能作为动力来源。水平点到点的运动，一般可以水平直线运动，也可以在两点中心点布置摆臂，通过摆臂的转动一定的角度实现水平点对点的运动，但考虑到如果是水平点对点的直线运动，将需要类似于门型的支架，将会大大占用空间，对于
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轻小负载不利于在输送带之间布置。因此，考虑采用摆动臂的方式实现点对点的转移功能。而物料或者工件的夹取动作的实现由真空吸盘和气动夹爪当然也可以采用电动驱动的夹爪，而气动吸盘和夹爪考虑到气源的问题，和吸盘对工件表面有一定使用要求的情况，拟采用电动夹具，
根据以上分析，方案拟采用的大概结构如下图所示：
图1.19 方案功能分解图
根据上图对转运机械臂的功能分析，将在下文初步构思设计方案图。
第2章物料搬运机械手方案设计
2.1产品应用环境要求及性能参数
本课题主要针对生产流水线的相邻两个独立工位之间的转移、转运需求所设计的一个机械臂，其目的是在实现工作目的的情况下尽可能的结构简单便于维护，针对方案设计现列出机械臂的主要参数如下下表所示：
表2.1 机械收设计参数
2.2 初步设计方案
根据上文的方案功能分析，初步设计两个方案，现将两个方案逐一分析如下：
1-电动夹具2-滚珠丝杠3-联轴器4-升降电机5-回转齿轮6-转动驱动电机
图2.1 方案一
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方案一中，夹具采用两个个啮合的齿轮，通过电机驱动其中一个齿轮，那么两个齿轮由于相互啮合，因此同时摆动一定的角度，这样就可以实现夹取或者是释放工件或者物料的功能，当然夹具的夹紧臂的摆动角度，可以采用PLC驱动电机摆动精确的角度来控制，或者根据在夹具上安装光电开关，用以检测是否抓取。其驱动原理如下图：
1-夹具电机2-主动齿轮3-从动齿轮
图2.2 夹具机构原理图
而夹取工件后的升降功能，采用下置式电机驱动滚珠丝杠，将电机输出的旋转运动转换成竖直方向的直线运动，从而实现竖直方向的升降要求，整体的回转摆动功能则采用电机输出旋转，然后驱动小齿轮带动大齿轮转动，从而实现整体机械手的转动或者摆动功能。
1-工件2-夹紧臂3-电动夹具4-升降电机
5-联轴器6-滚珠丝杠7-回转联轴器8-回转电机
图2.3 方案二原理图
方案二中，夹具依然采用电机驱动两个啮合的齿轮，通过齿轮的转动转换为夹紧臂的摆动角度，进而抓取工件物料，升降功能依然采用滚珠丝杠方式，将电机输出的旋转运动转换为竖直方向上的直线运动，而将驱动电机布置在顶部，这样有利于检修和维护，同时降低下部连接结构件的复杂程度。回转方式，由于考虑到回转本省需要的扭矩较小，同时由于是考虑采用直流无刷电机，能够输出较大扭矩，因此为了简化结构，从而将之前的变速齿轮取消，采用电机直接驱动滚珠丝杠的方式，这样进一步简化结构，也简化了安装方式[14]。
2.3 方案对比确定
方案一和方案二均能实现该课题要求的目的，但是根据方案一和方案结构来看，方案一采用的升降电机的下置式，这种布置方式虽然电机下置便于维护，但实际上由于下置电机的位置还要安装回转转盘，因此其安装结构相对复杂很多，同时由于电机部分占用了底部的空间，因此该方式将会在无形中增加升降机构工作行程的整体高度，而方案二中，将电机采用上置式，这种方式将升降的工作行程整体高度降低，同时，电机上置不容易受到外界物体的碰撞或者干涉。而方案一中的回转方式采用一组齿轮减速的方式，由于方案设备本身负载较小，再加上在回转底部布置的回转轴承，因此其回转需要的力矩非常小就可以驱动，没必要再增加减速齿轮，而且直流无刷电机其自身本身输出的扭矩较高，且输出转速能够任意调节，所以，方案中去掉减速齿轮，不仅简化了传输方式，同时也简化了回转部位的安装结构的复杂程度。因此，综合以上分析和论述，本课题决定采用方案二作为最终的方案。
2.4运动分析
该方案机械臂主要有三个运动关节，其中一个为夹具末端的夹持关节，因此，其不属于机械臂的运动关节，只是夹具物料的夹具的动力，现对夹具进行运动分析。
夹具的运动分析，夹具的摆动是采用两个啮合的齿轮实现的，因此，驱动电机驱动的是其中的一个齿轮，另一个齿轮由于啮合而进行摆动，两个齿轮的中心距为32mm，根据夹爪的摆动角度，可以通过数学关系计算出夹爪的开合距离，
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图2.4 夹具开合运动关系图
根据图中所示尺寸关系，可以根据摆动角度及三角函数计算夹爪通过摆动角度得到的开合距离，只要满足能够抓取或者释放物料即可。
夹具开合角度计算公式如下：
S=a+2L sinα
式中：
a—两个夹紧臂转动中心距，单位 mm
L—夹紧臂的转动半径，单位 mm
α—夹紧臂摆动角度，单位度
S—两夹紧臂开合的距离，单位 mm
根据上文公式，夹具转动角度增量为1度，进行计算夹具的开合距离计算表如下：表2.2夹具摆动角度及开合距离关系
由上表计算可以看出，当夹具的摆动角度达到30度时，夹具的开合距离为212，大于该课题设计的工件物料的最大尺寸，满足抓取空间尺寸关系。
竖直升降的运动分析，
竖直升降采用直流电机驱动滚珠丝杠实现升降旋转，而将电机输出的转动转换为竖直方向的直线运动，其运动关系图如下图所示：
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图2.5 升降运动
根据设计参数，电机输出的旋转运动，将转换为滚珠丝杠的直线运动，其上下的运动关系跟丝杠的节距和电机的转速有关，其运动关系公式如下：
V=
nP
60×1000
式中：
n—电机输出转速单位 r/min
P—丝杠节距，单位 mm
V—竖直运动速度，单位 m/s 可根据上式计算出竖直升降的速度。
表2.3 竖直升降运动参数
第3章物料搬运机械手详细设计
3.1各驱动电机计算选型
根据上文方案设计，确定该课题的设计任务要求及参数，该课题目的是设计一款能够在流水线实现转运、转移功能的简单机械手，因此，需要根据工位的需求，设计机械手的抓取负载能力和其他关节的运动参数初步设定，具体见下表：
表3.1 方案设计参数
根据图表可以看出，该方案初步设定的主要参数为，物料的质量最大不得超过5kg，机械手在竖直方向的升降高度为400mm；机械手能够在原地旋转360度，另外也限定了物料的外形尺寸，以便满足夹具抓取。
3.1.1夹具旋转电机选型计算
物体负载为5kg，估算夹紧臂的质量为0.5kg，因此，两个夹紧臂及物料的整体质量为：
M=m1+2m2
式中：
m1—物料质量，单位 Kg
m2—夹紧臂质量，单位 Kg
M—夹紧臂及物料整体质量，单位 Kg
根据之前上文数据，计算夹紧臂整体重量为
M=m1+2m2=5+2×0.5=6 kg
夹紧臂采用双啮合齿轮，因此要估算点击需要先初步设定夹紧齿轮的几何参数，这里初步设定齿轮的分度圆直径为30mm，这样，可以根据齿轮的直径，估算夹紧臂的回转力矩；
夹紧臂的转动半径为180mm，根据夹紧后，尚有2度的偏转角度，因此根据负载计算夹紧臂受到的力：
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图3.1夹紧臂受力示意图
图中夹紧臂和物料重力给夹紧臂施加的扭矩需要单独计算，然后计算夹紧臂齿轮输出的扭矩大小，
夹紧臂齿轮输出的扭矩为：
T=G1L1+G2L2
式中：
G1—物料施加给夹紧臂的压力，单位 N
L1—物料压力的力臂，单位 m，根据图取L1=0.007 m
G2—夹紧臂自身重力，单位 N
L2—夹紧臂的转动力臂，单位 m，根据图取L2=0.045 m 根据上文数据计算如下：
T=G1L1+G2L2=25×0.007+5×0.045=0.4 N.m
考虑夹紧电机的输出转速，设定为：
n=1000 r/min
则估算夹紧电机的功率为：
Tn
P=
式中：
P—夹具电机，单位为 kW
带入上式数据得到结果：
理工学院毕业设计(论文)开题报告 题目：铣床自动上下料点位控制机械手的设计 学生姓名：韩抟彬学号： 10L0551370 专业：机械设计制造及其自动化 指导教师：陈继荣 2014年3月31日
毕业设计开题报告 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。 PLC是以现代微处理器技术为核心的控制器，作为一种通用的工业控制器，其可靠性高、抗干扰能力强；PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性，此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息；PLC采用光电隔离和滤波技术有效抑制外部干扰源对PLC的影响，此外PLC还可在强、通用性好；开发周期短，功耗小。本课题对现代工业的的发展具有很重要的意义。 1．课题研究的目的和意义 1.1本课题的意义 机械手又名工业机器人，是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代科技的一个重要组成部分。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。 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因此，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的
第1章绪论 1.1工业机械手的定义 工业机械手诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机械手技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国，工业机械手的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、弓I进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。 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，迅速发殿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。机械手虽然目前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。 当代柔性自动化生产的建立和广泛应用，取决于作为科技进步的催化剂的机床制造、机械手技术、计算机技术、微电子技术、仪器制造等技术的加速发展。工业机械手是多品种的经常更换产品的生产过程自动化的通用手段。在机械制造中，工业机械手既有效地用于柔性生产系统组成工艺装备的基本工序中，也有效地用于辅助操作中。工业机械手与传统自动化手段不同之处，首先在于它在各种生产功能上的通用性和重新调整的柔性。在柔性生产系统中，工业机械手广泛应用于数控机床、锻压机床、铸造机械和仓储设备上，以完成传送装备和其它操作。工业机械手和基本工艺装备、辅助手段以及控制装置一起形成各种不同形式的机械手技术综合体一柔性生产系统基本结构模块。 机械手是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。一方面，机械手在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展；另一方面，机械手向着非制造业应用发展以及微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。 在理论上，随着世界经济和技术发展，人类活动领域的不断扩大，机械手应有正迅
南京大学 毕业设计(论文)开题报告 学生姓名：学号： 专业：机械工程及自动化 设计(论文)题目：机械手设计 指导教师: 2010年4月 4日
开题报告填写要求 1．开题报告(含“文献综述”)作为毕业设计(论文)答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计(论文)工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效； 2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式(可从教务处网页上下载)打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写(或打印)在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇科技论文的信息量，一般一本参考书最多相当于三篇科技论文的信息量(不包括辞典、手册)； 4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408—94《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。
毕业设计(论文)开题报告 1．结合毕业设计(论文)课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述： 文献综述 摘要本文主要介绍了机械手的应用范围、机械手的组成及每个组成部分的作用、工作原理、国内外的发展趋势、发展前景和方向，机械手的应用、机械行业中使用机械手的意义，重点阐述了机械人的各个组成部分的发展趋势和应用场合。 关键词机械手发展趋势意义 1 序言 随着时代的不断进步，经济飞速发展，生活水平的逐年提高，人们的环保意识，自我安全意识也在不断加强，同时也使人们对各种产品的要求更高了，机械人显然更符合现在人们的需求。机械手轻巧、制造成本低、工作效率高、噪声较小、低温起动性较好、使用和维护方便，已在机械、化工、医药、纺织、微电子、食品、运输等领域得到了越来越广泛的运用[1]。在当今的中国社会，经济发展方式正由粗放密集型转向节约内向型，原来的生产方式必须进行较大的变革。这就要求在最短的时间内，创造出最高的加工效率，而且还要保证较高的生产质量。机械加工中的机床﹑机械手就必须符合这种条件下的生产加工。 2 机械手概况 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。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，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。 机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。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)、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
毕业设计（论文） 标题：搬运机械手的设计 学生姓名：蔡蔺 系部：自动控制系 专业：机电 班级：机电1084 指导教师：沈涛
主要符号表 N F 手指夹紧力 N D 弹簧中径 mm 1D 弹簧内径 mm 2D 弹簧外径 mm C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数 M 转动缸的回转力矩 N m ? ρ 偏重力臂 mm M 偏 偏重力矩 N m ? t 螺钉间距 mm 0Q F 螺钉承受的拉力 N Q F 工作载荷 N ' s Q F 预紧力 N φ启 转动缸起动角 度 ω 转动缸转动角速度 rad s
1 绪论 1.1前言格式错误重新排版 机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，用于再现人手的的功能的技术装置称为[]1 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。在工业生产中应用工业机械手。 的机械手被称为[]2 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、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；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定 重视。 的效果，受到机械工业的[]3 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。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。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 1.2 工业机械手的简史 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应 产品。 产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化[]4 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。他的结构是：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。
第一章绪论 1. 1 PLC简介 可编程控制器简称PLC(Progrsmmable Logic Controller, PLC),它是以微处理器为基础服务夫人通用工业控制装置。国际电工委员会(IEC)在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输出和输入，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”可编程控制器是一种通用的工业控制计算机。它的程序是可以控制不同的对象。具有更大的灵活性，再加上体积小、工作可靠性高、抗干扰能力强、控制功能完善，适应性强，安装接线简单等众多优点，它可以方便地应用在各种场合，PLC釆用了典型的计算机结构，主要是山微处理器(CPU)、存储器(RAM/R0M)、输入输出接口(I/O)电路、通信接口及电源组成。 中央处理单元(CPU)是可编程逻辑控制器的控制中枢。它按照可编程逻辑控制器系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当可编程逻辑控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O 映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 PLC的主要特点，可靠性高、抗干扰能力强功能完善、应用领域广编程简单，易学易用系统安装简单、体积小、价格低可编程控制器的应用领域PLC在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业的应用也越来越广泛，主要有以下儿个方面的控制，开关量的逻辑、控制模拟量控制、运动控制过程控制、数据处理通信及联网。PLC通信含PLC间的通信及PLC与其他智能设备间的通信。随着现代社会计算机技术的提高，网络通讯技术的不断发展，它也将和其他的工业控制计算
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第1章课题规划?错误!未定义书签。 1、1 课题背景分析 ......................................................... 错误!未定义书签。 1、２设计任务书?错误!未定义书签。 第２章功能分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。 2、1 设计任务功能分析 ................................................. 错误!未定义书签。 2、1、1 总功能提炼 ............................................... 错误!未定义书签。 2、１、2 功能分解?错误!未定义书签。 2、１、３功能结构分析及功能结构图绘制?错误!未定义书签。 2、2 本章小结?错误!未定义书签。 第３章系统原理方案设计 ..................................................... 错误!未定义书签。 3、1功能单元求解?错误!未定义书签。 3、1、1分功能求解 ............................................. 错误!未定义书签。 3、1、2 系统原理方案综合求解?错误!未定义书签。 ３、１、３方案优化及评价 ............................... 错误!未定义书签。 3、２本章小结?错误!未定义书签。 第4章总体设计 ................................................................... 错误!未定义书签。 4、1 系统总体结构草图 ................................................. 错误!未定义书签。 4、2 本章小结?错误!未定义书签。 第5章总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。
摘要 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本次毕业设计拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。用于分捡大小球的机械装置。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。PLC应用系统设计主要包括硬件设计、软件设计、施工设计和安装调试等内容。本次毕业设计着重在系统设计和程序设计。 关键词：机械手 PLC 大小球分拣系统
ABSTRACT The positive role of the robot is increasingly being recognized, first, it can partially replace human labor and to achieve the production requirements, follow certain procedures, time and location of the workpiece to complete the transfer. Because it can greatly improve the working conditions of workers, industrial production to accelerate the pace of mechanization and automation. Therefore, the attention from all the advanced units and put a lot of manpower and resources to research and application. Especially in the high-temperature, high pressure, dust and noise of the occasion, applied more widely. In China, the modern years have rapid development, and achieved certain results, the importance attached by the various industrial sectors. In the production process, often the product of the sorting line, this graduation design is planned to develop material handling robot, using Siemens S7-200 series PLC, the mechanical hand up and down, left and right, and grab control of movement. The size of the ball for the sorting machinery. We use programmable technology, combined with the appropriate hardware devices, control the mechanical hand to complete a variety of actions. PLC application system design including hardware design, software design, construction design and installation and so on. This course emphasizes the system design and programming. Key word:manipulator PLC size of zhe ball sorting system
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。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、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，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，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、实时监测机器人的各个关节的运动情况、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：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
天津机电职业技术学院毕业综合实践报告 专业电气自动化 班级电气自动化三班
目录 1 机械手的基本介绍 (1) 1.1 机械手的基本结构组成 (1) 1.1.1 气动手爪 (1) 1.1.2 伸缩气缸 (1) 1.1.3 回转气缸及垫板 (2) 1.1.4 提升气缸 (2) 1.2 直线运动传动组件 (2) 1.3 气动控制回路 (3) 2 传感器部分 (5) 2.1 传感器简介 (5) 2.2 磁性开关 (5) 2.3 光电传感器和光纤传感器 (5) 3 伺服电机应用 (7) 3.1 伺服系统 (7) 3.2 交流伺服系统的位置控制模式 (8) 3.3 接线 (10) 3.4 伺服驱动器的参数设置与调整 (10) 3.4.1 参数设置方式操作说明 (11) 3.4.2 面板操作说明： (11) 3.4.3 部分参数说明 (11) 3.5 最大速度（MAX_SPEED）和启动/停止速度（SS_SPEED）12 3.6 移动包络 (13) 4 PLC程序编写 (15) 4.1 PLC的选型和I/O接线 (15) 4.2 伺服电机驱动器参数设置 (15) 4.3 编写和调试PLC控制程序 (16) 4.4 初态检查复位子程序和回原点子程序 (19) 4.5 急停处理子程序 (20) 个人收获 (23) 参考文献 (24) 附录 (25) 致谢 (28)
1 机械手的基本介绍 1.1 机械手的基本结构组成 1.1.1 气动手爪 用于在各个工作站物料台上抓取/放下工件。由一个二位五通双向电控阀控制。见图 1-1 图 1-1 气动手爪 1.1.2 伸缩气缸 用于驱动手臂伸出缩回。由一个二位五通单向电控阀控制。见图 1-2 图 1-2 伸缩气缸
第1章绪论 1.1工业机械手概况 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。它是一种自动的、位置可控的、具有编程功能的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置以执行各种任务。 而机械手臂的研究，开发和设计是从二十世纪中叶开始的。我国的工业机械手是从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”，“八五”科技攻关，目前已经基本掌握了机械手的设计制造技术，控制系统硬件及软件设计技术，运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，弧焊，点焊，装配，搬运等机器人.其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已经应用在汽车制造企业的焊装生产线上。但总的来看，我国的工业机械手技术及其工程应用水平和国外比还有一定得距离，如：可靠性低于国外产品;机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.8%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占保有量百分比为23.4%-53%，年产每万量汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。 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）、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2～3个自由度
搬运机械手运动控制系统设计
搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松
设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定
位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计
四自由度搬运机械手的设计毕业论文 1引言 1.1机械手研究的背景及其意义 机械手是当今世界的科技革命发展飞速变革的必然产物，它的出现标志着现今的工业、制造业水平发展到了前所未有高水平阶段。最初出现的机械手只是应用在航空航天和海洋勘探等高端科技领域，随着近几十年来计算机在科技领域全面应用，科技革命的变革也加速了科学技术的蓬勃发展。在此背景下机械手技术也在飞速发展，并且在其应用领域也不断地深入、飞速地拓宽，特别是近些年来机械手在现代制造业领域更是得到了非常广泛的应用。由于机械手是通过预先编写好的程序来控制其动作次序和轨迹，所以机械手可以代替人力去完成那些单调的、重复的、特别是对于人类来说毫无意义的工作，除此之外机械手还能够在恶劣的环境中完成那些人类不想完成的或不能完成的工作，特别是在一些危险的工作环境或者是对精度要求较高的工作条件之下，机械手相比较人力有得天独厚的优势——机械手在某些邻域能够完全替代人力，将人类从脏、乱、差的工作环境中解放出来，这是人类社会几千年来的又一次变革和人类生活方式的又一次蜕变。特别是近几十年来工业、制造业领域在机械手的广泛应用下发生了伟大的变革，在此背景下整个社会的生产力水平、产品生产质量和生产效率大大提高，与此同时在工业生产中现代工人的劳动强度也大大降低。 机械手技术虽然发展迅猛，但现在市场上的机械手大多还处在高端应用领域，价格也相对昂贵，不能满足低成本、低层次应用领域的需求。所以本课题希望设计出一种成本低、应用层次相对较低的机械手，填补这一领域市场的空白，这对
于工业、制造业领域以及人类社会的发展都具有及其重要的意义和价值。在机械手技术领域中，机械手在模型设计上，四自由度机械手是机械手产品中的典型设计模型，在技术上，四自由度机械手技术门槛相对较低——四自由度便于设计和实现，在应用层面上，四自由度机械手对于一般的重复性工作条件完全满足，在成本上，四自由度机械手在满足一些复杂动作的工作条件下便于实现低成本，也就说其性价比相对较高，所以本论文以《四自由度搬运机械手》为课题进行研究旨在设计出一个比较实用的、成本低的、具有一定的实际应用价值的机械手。1.2机械手的研究现状和发展前景 机械手是现代工业革命变革、现代工业水平高度提高催生的一种新技术产品，从较高应用层次来说，机械手是集机械设计、计算机程序控制等多领域知识和多种设计方法于一身的一种新型自动化装备，特别是近年来互联网、大数据的出现和应运机械手已开始从自动化向智能化领域迈进。机械手虽然在近几十年来才出现，其发展历史并不算太长，机械手最早起源于美国，接着又在德国、日本等工业发达国得到了飞速发展，然而我国近十年来虽然工业发展迅猛，可机械手在工业领域的应用才刚刚起步，机械手设计的技术水平同国外仍有很大差距，特别实是在机械手的高端应用领域，主要体现在机械手的可靠性和精度指标上面。 近年来机械手在工业、制造业领域的应用突飞猛进，这对于工业文明的进步产生了“雪崩式效应”，越来越多的无人化工厂随着机械手的发展如春笋般涌现。随着进入21世纪以来，互联网技术飞速发展，工业、制造业领域正发生着一场伟大的变革，从美国的“工业互联网”到德国的“工业 4.0”，再到“中国制造2025”，世界工厂已经开始由“无人化工厂”向“智能化工厂”转变，在此历
1.绪论 1.1工业机械手设计的意义 1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤； 2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产； 3、结合机械手设计这方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题、研究问题、解决问题。 1.2国外的机械情况 现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。 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。他的结构是：机体上安装回转长臂，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，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Uni-mate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。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（Unimaton）,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Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，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Uni-mate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Uni-mate 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。 美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Uni-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前
中国石油大学（华东）现代远程教育 毕业设计（论文） 题目：机械手的设计 学习中心：山东莱阳学习中心 年级专业： 姓名：孙照源学号： 指导教师：职称： 导师单位：莱阳市职业中等专业学校 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2011年 08月 30 日
目录 摘要 (3) 第一章前言 1.1机械手概述 (4) 1.2机械手的组成和分类 (4) 1.2.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1.2.2机械手的分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 第二章机械手的设计方案 2.1机械手的坐标型式与自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.2机械手的手部结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 8 2.3机械手的手腕结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 9 2.4机械手的手臂结构方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.5机械手的驱动方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.6机械手的控制方案设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.7机械手的主要参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 2.8机械手的技术参数列表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 第三章手部结构设计 3.1夹持式手部结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.1手指的形状和分类．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.2设计时考虑的几个问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 3.1.3手部夹紧气缸的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 第四章手腕结构设计 4.1手腕的自由度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2手腕的驱动力矩的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 15 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15 第五章手臂伸缩，升降，回转气缸的设计与校核 5.1手臂伸缩部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.1.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5.1.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5 .1 .3导向装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19 5 .1 .4平衡装置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2手臂升降部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.2.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20 5.3手臂回转部分尺寸设计与校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 5.3.1尺寸设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 5.3.2尺寸校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
摘要 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。 搬运机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，在本设计中，通过对机械手手部结构的设计，臂部结构的设计，以及液压系统的设计，实现四自由度的运动，完成了搬运机械手的系统结构设计。 关键词：搬运机械手；结构设计；液压系统；四自由度
ABSTRACT With the popularization and development of industrial automation, control demand increased year by year, carrying manipulator application also gradually popular, mainly in the automotive, electronics, machinery, food, medicine and other fields of production lines or cargo transport, can be better to save energy and improve the efficiency of transport equipment or products, in order to reduce other handling the limitation and inadequacy, meet the needs of modern economic development. Manipulator is a kind of automatic positioning control and can be programmed to change the multi-function machines, In this design, through the mechanical hand arm structure design, structure design, and the design of the hydraulic system, to achieve four degrees of freedom movement,completed the manipulator system structure design. Key words：manipulator；structure design ；hydraulic system ；four degrees of freedom movement
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，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，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真