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學 畢 業(yè) 設 計 說 明 書 班 級： 姓 名 ： 學 院： 專 業(yè)： 題 目： 連桿式裝箱機械手的設計 導教師： 職稱 : 職稱 : 20**年 **月 **日 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文）任務書 題 目 連桿式裝箱機械手的設計 學生姓名 學 號 專業(yè)班級 指導教師 職 稱 教 研 室 畢業(yè)設計（論文）任務與要求 任務與要求 機械手是近幾十年來自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型，高科技自動生產(chǎn)設備。在生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛用于自動化生產(chǎn)線中，它是一種類似人體上肢的部分動能，能按照要求傳送 工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設備，對工業(yè)生產(chǎn)的自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進步發(fā)展有重要作用。在生產(chǎn)線上裝卸工件一般有工人完成，勞動強度大，生產(chǎn)率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率，降低成本，使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)，適應現(xiàn)代自動化大生產(chǎn)的需要，利用機器人技術(shù)，對生產(chǎn)線上裝卸機械手進行設計研究，以提高自動化作業(yè)程度。具體要求如下： 了解 工業(yè)機器人和機械手的發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)中的應用；完成機械手結(jié)構(gòu)設計；建立該機械手模型；應用軟件繪制所設計機械手的裝配圖；撰寫論文； 畢業(yè)設計（論文）工作進程 起止時間 工作內(nèi) 容 第 1~2 周 3~4 周 5~6 周 7 周 8~9 周 10 周 11 周 12 周 （借）閱資料，學習連桿式裝箱機械手結(jié)構(gòu)基礎理論和知識，了解所設計的機械手的結(jié)構(gòu)，撰寫開題報告。 對機械 手各部分零件進行結(jié)構(gòu)設計。 用 相關(guān)繪圖軟件繪制機械手結(jié)構(gòu)圖以及重要零件圖。 撰寫畢業(yè)論文。 論文定稿 整理資料準備答辯。 答辯。 開始日期 2012 完成日期 2012 教研室主任（簽字） 系主任（簽字） 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 西安文理 學 院本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 連桿式裝箱機械手的設計 學生姓名 學 號 專業(yè) 名稱 指導教師 開題時間 班 級 一、 選題目的和意義 裝箱機械手控制系統(tǒng)的研究是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù) ,并巳成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分 ,機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認同，當下我國許多行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用卻已經(jīng)越來越普及。我國在機械手方面的研究工作卻剛剛起步，進行這個裝箱機械手的結(jié)構(gòu)設計，不僅可以鞏固我們已學的專業(yè)知識，擴展我們的知識面和專業(yè)面，可以加強對自己的思維訓練和能力培養(yǎng)，還可以填補空白，提高生產(chǎn)效率，很大的現(xiàn) 實意義。 二、 主要研究內(nèi)容 1. 了解機械手的基本結(jié)構(gòu)，工作原理，應用場所。 機械手主要有手部、運動機構(gòu)、和控制機構(gòu)三大部分組成。手部是用來抓吃工件的部件，根據(jù)被抓吃工件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式稱為機械手的自由度。能模仿人手和臂的一些動作用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能再有害環(huán)境下操作以保 護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕功和原子能等部門。 2. 了解及掌握，工業(yè)機械手的基本結(jié)構(gòu)（執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制裝置） 手部 既直接與工件接觸的部分， 一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單），夾持對象是 10 小型家電整箱 。根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸本課題選用內(nèi)抓式手部；傳力機構(gòu)為連桿杠桿式 工作 任務：機械手抓取 對象 ，提高 200 時針轉(zhuǎn) 90°，前進 600下工件，回到原位置。 抓取 對象 外形：工件為 立方體 ，工件體積為 抓取對象 重量： 10力機構(gòu)較多，常用的是；滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式、重力式。 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛 的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小 。 并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常 用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 行走機構(gòu) 有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段，本課題的機械手不具有行走功驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。按照動力源分為液壓、氣壓 、 電動 驅(qū)動三 大類，根據(jù)需要，也可以將這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 液壓驅(qū)動 油壓高，可獲得較大的輸出功率， 直接驅(qū)動 使用于重型、低速驅(qū)動。壓力、流量以控制，反應靈敏，可無級調(diào)速，能實現(xiàn)速度、位置的精絕控制，傳動平穩(wěn)。但管路結(jié)構(gòu)較復雜，成本高。 氣壓驅(qū)動 氣壓較低，輸出功率小，當輸出功率增大時，結(jié)構(gòu)尺寸將增大，只適用中小型、低速驅(qū)動。氣源方便，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，效率低。 電動驅(qū)動 交直流普通電動機適用于抓起重量較大而速度低的中重型驅(qū)動。輸出力大，成本低。步進、伺服電動機，步進電動機輸出力較小，伺服電動機的可大一些，適用于運動控制，要求嚴格的中小型驅(qū)動。但成本高。 3. 制定機械手的設計方案 （ 1）了解被加持對象的基 本結(jié)構(gòu)和機械手的工作行程。 定位、抓起、提升、旋轉(zhuǎn)、伸長、下降、放松、升高、縮短、旋轉(zhuǎn)、下降 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 （ 2）設計手抓，手腕，手臂等的基本結(jié)構(gòu) 4. 方案實施 設計、計算、校核等等 5 繪制機械手的裝配圖 6. 撰寫論文 指導教師意見及建議： 簽字 ： 年 月 日 教研室審核意見： 簽字 ： 年 月 日 注：此表前三項由學生填寫后，交指導教師簽署意見，經(jīng)教研室審批后，才能開題。 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 西安文理學院本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 題 目 連桿式裝箱機械手的設計 學生姓名 學 號 專業(yè)名稱 指導教師 檢查時間 班 級 畢 業(yè) 設 計（論文） 進 展 情 況 通過對機械手的設計的相關(guān)資料的學習，以及對整個設計的了解，現(xiàn)基本完成以下設計工作： 4. 對機械手的基本結(jié)構(gòu)，工作原理 ，應用場所有一定了解。 5. 對工業(yè)機械手的基本結(jié)構(gòu)（執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制裝置）有所了解及掌握。 6. 被加持對象的基本結(jié)構(gòu)和機械手的工作行程有一定的認識。 7. 完成手腕、手抓基本結(jié)構(gòu)的設計、計算。 下一步設計工作內(nèi)容連桿式裝箱機械手手臂基本結(jié)構(gòu)的設計計算和 手腕、手臂、手抓基本結(jié)構(gòu)的校核以及機械手裝配圖的繪制。 指 導 教 師 意 見 2 能夠與老師保持正常指導關(guān)系 . 綜上所述 ,同意按照設計進度進行后續(xù)工作 . 簽字 ： 年 月 日 教研室意見 簽字 ： 年 月 日 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 摘要： 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。主要敘述了機械手的設計計算過程。本文比較全面地討論了工業(yè)機械手的手部和腕部、手臂伸縮機構(gòu)以及上升和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等主要部件的結(jié)構(gòu)設計。并在最后做了一些液壓控制方面的設計，繪制了液壓系統(tǒng)圖等。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成 為一門新興的學科 ——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合技術(shù) 關(guān)鍵字 ： 機械手 ;氣動 ;自由度； 充值后就可以下載此設計說明書（不包含 紙）。我這里還有相應的 明書（附帶：任務書、開題報告、中期報告、外文翻譯）和 紙（共計 1 張圖紙）及答辯 要全套資料的朋友請 加 1： 1459919609 或 2：1969043202， 需要其他設計題目直接聯(lián)系?。?！ 購買設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 購買 設計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 is in as a is an of of of up of . of is a of a in is an a of is a 安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 1 頁 目 錄 第一章 緒論 ............................................................................................................................................ 1 械手的基本概念 ...................................................................................................................... 2 內(nèi)外的發(fā)展狀況 ..................................................................................................................... 2 械手特點、研究意義 .............................................................................................................. 3 械手的特點 ................................................................................................................ 3 械手的研究意義 ......................................................................................................... 3 械手的組成 .............................................................................................................................. 4 械手的組成 ................................................................................................................. 4 計任務介紹及意義 .................................................................................................................. 4 第二章 機械手總體結(jié) 構(gòu)的確定 ............................................................................................................ 5 械手的運動自由度 ................................................................................................................. 5 作空間的確定 ......................................................................................................................... 5 定負載的確定 .......................................................................................................................... 5 械手結(jié)構(gòu)形式的確定 .............................................................................................................. 5 動速度 ...................................................................................................................................... 6 位精度 ..................................................................................................................................... 7 械手的技術(shù)參數(shù)列表 ............................................................................................................. 7 械傳動系統(tǒng)設計 ...................................................................................................................... 7 第三章 手部結(jié)構(gòu)設計 ............................................................................................................................ 9 持式手部結(jié)構(gòu) .......................................................................................................................... 9 指的形狀和分類 ......................................................................................................... 9 計時考慮的幾個問題 ................................................................................................. 9 部夾緊氣缸設計 ....................................................................................................... 10 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 ............................................................................................................................ 15 腕的自由度 ........................................................................................................................... 15 腕的驅(qū)動力矩的計算 ........................................................................................................... 15 轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩計算 ........................................................................................... 17 腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸 ...................................................................................................... 17 第五章 手臂伸縮，升降，尺寸設計與校核 ........................................................................................ 18 臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核 ............................................................................................ 18 向氣缸的設計 ........................................................................................................................ 20 向裝置 .................................................................................................................................... 22 衡裝置 ................................................................................................................................... 22 第六章 總結(jié) .......................................................................................................................................... 23 第七章 致謝 .......................................................................................................................................... 24 參考文獻 .................................................................................................................................................. 25西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 第一章 緒論 械手的基本概念 機械手，屬工業(yè)機器人的范疇，機器人學是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機科學、自動控制以及人工智能等多種學科的最新研究成果，體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，是當代科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。 “機械手 ”（ 多數(shù)指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手）。 一個完整的氣壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的： (1)能源部分。包括泵裝置和蓄能器， 它們能夠輸出氣體，把原動機的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能，并儲存起來。 (2)執(zhí)行機構(gòu)部分。是氣缸、氣動機等，它們用來帶動運動部件，將氣體壓力能轉(zhuǎn)變成使部件運動的機械能。 (3)控制部分。是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運動速度和運動方向，也可以用來卸載，實現(xiàn)過載保護等 。 (4)輔助部分。是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、壓力表、管路等。 液壓系統(tǒng)中機械手主要實現(xiàn)的輔助功能： (1)機械手的伸、縮、回轉(zhuǎn)和工件的松開和拉緊動 作等。 (2)工件的自動松開、夾緊。 (3)工作臺的松開夾緊、交換工作臺的自動交換動作。 (4)機械手的運動部件平衡。如機械手軸箱的重力平衡、機械手的平衡裝置等。 (5)機械手運動部件的制動和離合器的控制、齒輪撥又換擋等。 (6)機械手的自動開關(guān)。 液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電一氣轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對氣壓動力機構(gòu)進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定運動規(guī)律動作。氣壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線氣壓缸或擺動氣壓缸，用于實現(xiàn)手 臂的伸縮、升降以及手腕的回轉(zhuǎn)。 內(nèi)外的發(fā)展狀況 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標志的時代。通用機械手可以應用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設計的成本。由于通用機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改， 品種在不斷的增加，應用領(lǐng)域在不斷的擴大。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內(nèi)現(xiàn)在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果，國內(nèi)每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。 目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是： 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 (1)研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。 (2)研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。 (3)研制維修維護方便的通用機械手。 (4)研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。 (5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學的理論，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應答，用熱電偶和電阻應變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達命令，布置任務，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 (6)機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設備能完成更加多的動作。 (7)研制具有柔 性系統(tǒng)的通用機械手 目前，在國外廣泛應用的再現(xiàn)式通用機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方 面處于領(lǐng)先地位。 械手特點、研究意義 械手的特點 (1)通用性 機器人的通用性指具有執(zhí)行不同功能和完成多樣簡單任務的實際能力；通用性也意味著，機器人是可變的幾何結(jié)構(gòu)?；蛘哒f在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一工作。 (2)適應性 機器人的適應性是指具有對環(huán)境的自適應能力，及機器人能夠自主執(zhí)行實現(xiàn)經(jīng)規(guī)劃的中間任務，而不管執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。 械手的研究意義 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，機械手的應用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中 ，大量應用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應用。 在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： (1)可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。 (2)應用機械手有利于在自動生產(chǎn)線中實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。 (3)可以改善勞動條件，避免人身事故。 應用機械手在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場合可部分或者西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 (4)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。應用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個重要方面。 (5)運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產(chǎn)率。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 械手的組成 械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 1示。 圖 1械手的組成示意圖 計任務介 紹及意義 通過課程設計培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設計是建立在專業(yè)基礎課和專業(yè)方向課的基礎的，是學生根據(jù)所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義在于： (1)培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設計工作，并結(jié)合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領(lǐng)域。 (2)培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。 (3)培養(yǎng)學生掌握機電產(chǎn)品設計的一般程序方法， 進行工程師基本素質(zhì)的訓練。 (4)樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu) 位置檢測裝置 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 第二章 機械手總體結(jié)構(gòu)的確定 械手的運動自由度 物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關(guān)。物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目稱為自由度（ of 自由度是指描述物體運動所需的獨立坐標數(shù)，三維空間需要 6個自由度。物體所能進行的運動有沿著坐標軸的三個平移自由度和繞坐標軸的三個旋轉(zhuǎn)自由度。 一般固定程序的機械手，動作比較簡單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機器人自由度數(shù)較多，動作靈活性和通用性較大。一般說 來，機器人靠近機座的 3 個自由度是用來實現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位； 7 個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。 自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設備構(gòu)成比較復雜，工件質(zhì)量輕時，機械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，則機械手的自由度要多一些。 計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機械手的結(jié)構(gòu)和控制，應使自由度數(shù)最少。 本設計 的通用機械手的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，自由度選擇為四個。分別為大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂回轉(zhuǎn)和小臂伸縮。分別由大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、小臂回轉(zhuǎn)油缸和小臂伸縮油缸控制。 作空間的確定 工作空間是指機械手正常工作時，手腕參考點在空間活動的最大范圍，依據(jù)機械手工作范圍和運動軌跡確定。工作空間大小不僅與機器人各桿件尺寸有關(guān)，而且也與它的總體構(gòu)形有關(guān)。在工作空間內(nèi)要考慮桿件自身的干涉，防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。此外在工作空間內(nèi)某些位置，機械手不可能達到預定的速度，甚至不能在某些方向上運動，即所謂工作空間的奇異性。 本機械手的工作空間要求為：手臂伸縮行程范圍 0~500臂升降行程范圍最大 0～300臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0o~240o。 定負載的確定 承載能力說明機械手搬運重物的能力，負載大小主要考慮機械手各運動軸上的受力和力矩，末端執(zhí)行器的重量，抓取工件的重量，以及由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。 本設計要求能夾持重量為 100慮末端執(zhí)行器的重量及各運動軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設計負載為 1500N。 械手結(jié)構(gòu)形式的確定 本畢業(yè)設計是通用機械手，要求有 較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有以下幾種 : 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 表 2械手結(jié)構(gòu)選型表 【 7】 結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 1 直角坐標型 作機的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低 2 圓柱坐標型 操作機的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標系配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高 3 球坐標型 操作機的手臂具有兩 個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標系配置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結(jié)構(gòu)較為復雜 4 關(guān)節(jié)型 操作機的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運動軌跡復雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設計難度大，機械手臂的剛度差 動速度 機器人手臂的運動速度是其主要運動參數(shù)之一。它反映了機器人手臂的作業(yè)水平，運動速度的快慢與它的驅(qū)動方式、定位方式、抓去質(zhì)量大小和行程距離有關(guān)，作業(yè)機器人手臂的運動速度應根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 目前 ，工業(yè)機器人的最大直線運行速度大部分為 1000mm/s 左右；最大回轉(zhuǎn)速度 110o/s 左右。在本次設計中選定手臂伸縮速度 500 s，手臂升降速度 300mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度 90o／ s，手腕回轉(zhuǎn)速度 180o/s，驅(qū)動方式為電 作為機器人規(guī)格參數(shù)的運動速度是指全程的平均速度，實際使用速度可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 位精度 定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的又一項重要指標，一般所說的定位精度是指重復精度，與抓取質(zhì)量、運動速度、定 前，專用機械手采用固定擋塊定定位精度取決于位置控制方式及機器人本體部件的結(jié)構(gòu)剛度與精度位方式可達到較高的定位精度（采用行程開關(guān)、電位計等電器元件控制的位置精度相對較低，大約為 1? 服控制系統(tǒng)的機器人是一種位置跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載的情況下，也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動，因此可獲得較高的定位精度，重復定位精度最高可達到 械手的技術(shù)參數(shù)列表 1、抓重： 10 公斤 2、自由度數(shù)： 4 個自由度 3、座標型式： 圓柱座標 4、最大工作半徑： 1500、手臂最大中心高： 1380、手臂運動參數(shù)：縮行程 600縮速度 500mm/s，升降行程 200 升降速度 300mm/s，回轉(zhuǎn)范圍 00 速度 900/s 7、手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 00速度 1800/s 8、手指夾持范圍：片料 :面積不大于 0. 5 ㎡ 9、定位精度：士 0. 50、緩沖方式：液壓緩沖器 11、傳動方式：氣壓傳動 械傳動系統(tǒng)設計 對氣缸結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運 動速度高、 節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 圖 2缸設計流程圖 單活塞桿氣缸是各類氣缸中應用最廣的一種氣缸。由于它只在活塞的一端有活塞桿，活塞兩側(cè)承受氣壓作用 的面積不等，因而活塞桿伸出時的推力大于退回時的拉力。雙活塞桿氣缸活塞兩側(cè)都有活塞桿，兩側(cè)受氣壓作用的面積相等， 活塞桿伸出時的推力和退回時的拉力相等。 單作用氣缸是由一側(cè)氣口供給氣壓驅(qū)動活塞運動，依靠彈簧力、外力或自重等作用返回；而雙作用氣缸是由兩側(cè)供氣口交替供給氣壓使活塞作往復運動。 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 第三章 手部結(jié)構(gòu) 設計 為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部。如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。手爪是機械手直接用下抓取和握緊 (或吸附 )工件夾持專用工具 (如噴槍。扳子、焊接工具 )進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手手臂的前端，所示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸中的齒條活塞桿在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動齒輪并帶動扇形齒輪回轉(zhuǎn)，因手指與扇形齒輪固結(jié)為一體，所以兩個手指同時回轉(zhuǎn)而夾緊工件。由于采用單向作用油缸，故靠彈簧復位，使手指張開。手部結(jié)構(gòu)中的齒輪齒條屬于傳力機構(gòu) 。 持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指 (或手爪 )和傳力機構(gòu)所組成。其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其 中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式 :按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種 :按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型 (或稱直進型 )，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指 ;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。 計時考慮的幾個問題 (1)具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (2)手指間應具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 (3)保證工件準確定位 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇 相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶 “V”形面的手指，以便自動定心。 (4)具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (5)應考慮被抓取對象的要求 ○1抓取形狀 手指形狀應根據(jù)工件形狀而設計。如工件為圓柱形．則采用 “V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手 指，方料用平面形手指，細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指。總之應根據(jù)工件形狀來選定手指形狀。 ○2抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應能適應尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片 (如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等 )，以防夾持時損壞工件。 ○3抓取數(shù)量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊 ，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。 (6)應考慮手指的多用性 手指是專用性較強的部件，為適應小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的使用范圍。 部夾緊氣缸設計 (1)手部驅(qū)動力計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷 (慣性力或 慣性力矩 )，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下式計算： (公式 式中 錯誤 !未找到引用源。 ——安全系數(shù)，通常取 錯誤 !未找到引用源。 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可用下式估算 (公式 其中 a——運載工件時重力方向的最大升加速度 g——重力加速度 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 (公式 f——摩擦系數(shù) G——選取工件所受的重力（ N） 錯誤 !未找到引用源。 將已知條件代入得： 圖 械手夾持器 （ 1） 氣缸的內(nèi)徑 根據(jù)手指的幾何關(guān)系得： 由設計任務可以知道，要驅(qū)動的負載大小位 100慮到氣缸未 加載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率 β： 由《液壓與氣壓傳動技術(shù)》表 11取 β=表 3缸的載率 阻性負載（靜負載） 慣性負載的運動速度 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 ＜ 100s 100～ 500s ＞ 500s β=據(jù)氣缸的結(jié)構(gòu)得： D－活塞直徑， m m 誤 !未找到引用源。 N 錯誤 !未找到引用源。 (公式 估算時取 d=誤 !未找到引用源。 =40N, P=誤 !未找到引用源。 。代入上式得： 按照 2348準進行圓整，取 D=36 3缸內(nèi)徑尺寸系列（摘自 2348(280) 10 50 (140) 320 12 63 160 (360) 16 80 (180) 400 20 (90) 200 (450) 25 100 (220) 500 32 (110) 250 注：括號內(nèi)的公稱壓力值為非優(yōu)先采用值 （ 2） 活塞桿直徑 由 d=取活塞桿直徑 d=25 3缸筒壁厚 氣缸缸筒內(nèi)徑 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 材料 50 80 100 125 160 200 250 壁厚 鑄鐵 7 8 10 10 12 14 16 無縫鋼管 5 6 7 7 8 8 10 鋁合金 8～ 12 12～ 14 14～ 17 表 3缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自 2348(4) 缸筒長度的確定： 缸筒長度 S=L+B+20 L 為活塞行程； B 為活塞厚度 活塞厚度 B=(誤 !未找到引用源。 = 誤 !未找到引用源。 80=16于氣缸的行程 L=200所以 S=L+B+20=236 5） 氣缸筒的壁 厚的確定 : 由《液壓氣動技術(shù)速查手冊》知：一般氣缸缸筒與內(nèi)徑之比 錯誤 !未找到引用源。 ，其壁厚通常按薄壁筒公式計算 慮機械加工工藝性，往往將缸筒壁厚適當加厚，且盡量選用標準內(nèi)徑和壁厚的鋼管與鋁合金管。下圖所列缸筒壁厚可供參考。 假設所選材料為無縫鋼管，則由表知 (6)氣缸的進、排氣口計算 通常氣缸的進、排氣口的直徑大小與氣缸速度有關(guān)，根據(jù) 缸的進、排氣口的直徑見下表（ 準規(guī)定） 氣缸直徑 32 40 50 63 80 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 14 頁 氣口尺寸 汽缸直徑 100 125 150 200 250 氣口尺寸 汽缸直徑 320 氣口尺寸 查此表可知，氣缸的進、排氣口的規(guī)格為 錯誤 !未找到引用源。 西安文理學院畢業(yè)設計（論文） 第 15 頁 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設計 腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而