重物搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)方案畢業(yè)設(shè)計(jì)方案題 目 重物搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 機(jī)自0917班 學(xué) 生 學(xué) 號 20090421170 指導(dǎo)教師 二一 三 四月 十日 - 7 -濟(jì)南大學(xué)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué)生 學(xué)號 20090421170 設(shè)計(jì)題目 重物搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、選題背景與意義1.國外研究現(xiàn)狀1962年，美國機(jī)械鑄造公司在試制成一臺數(shù)控試教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為unimate。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司

2、和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫versatran機(jī)械手，愿意是靈活搬運(yùn)，該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是試教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在60年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種unimate-vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障

3、前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和準(zhǔn)備的上下料等作業(yè)。德國knka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士retab公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用試教方法編制程序。瑞士安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，著力研究機(jī)械手。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年各大學(xué)和國

4、家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用為42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約為一半，達(dá)222億日元，是1978年的2倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位。約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的

5、信息反饋，使機(jī)械手具有感覺性能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元中重要一環(huán)。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多，發(fā)展最快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制定的規(guī)定程序完成規(guī)定的作業(yè)，但還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生一些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有一種智能的機(jī)械手。使他擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。視覺功能即在機(jī)械手上安

6、裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工作，通過裝在手指內(nèi)的壓力傳感器產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力感敏元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。更主要的是將機(jī)械手和柔性控制制造系統(tǒng)及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。2.國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制試教型機(jī)械

7、手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手個(gè)運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，用在不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。3.流水線搬運(yùn)機(jī)械手的意義在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程應(yīng)用流水線機(jī)械手作業(yè)有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。(2)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏

8、的生產(chǎn)應(yīng)用流水線機(jī)械手作業(yè)，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用流水線機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前更廣泛的應(yīng)用了流水線機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍,便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容21機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的組成一般可分成三大部分，即機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、和控制系統(tǒng)。而本體結(jié)構(gòu)是具有和人手臂相似的動作功能?？稍诳臻g抓放物體或進(jìn)行其他操作，由機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動裝置及傳動裝置組成。本體結(jié)構(gòu)的首要問題是選擇極坐標(biāo)型式、圓柱坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是工作范圍大、動作靈活、通用性強(qiáng)，能抓取

9、靠近機(jī)座的物體，但是，其運(yùn)動直觀性差，手部中心位置由多個(gè)轉(zhuǎn)角確定，要達(dá)到較高的定位精度很困難。其次是考慮自由度數(shù)，以及各自由度數(shù)在臂部、腕部、或整個(gè)機(jī)械手如何配置。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括末端執(zhí)行器，臂部、腕部、機(jī)座和行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)如下四部分的內(nèi)容：1)末端執(zhí)行器俗稱手爪。是機(jī)器人直接用于抓取和握緊（或吸附）工件或夾持專用工具（如噴槍、扳手、焊接工具）進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手動作的功能，安裝機(jī)器人手臂的前端其結(jié)構(gòu)和尺寸根據(jù)不同作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。，從而形成了多種多樣的結(jié)構(gòu)型式，一般可分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具三類。需要強(qiáng)調(diào)的是我所設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要完

10、成搬運(yùn)功能，在一定條件下可以焊接。末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求：具有滿足作業(yè)要求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度；手指間應(yīng)具有一定的開閉角；保證工件準(zhǔn)確定位；具有足夠的強(qiáng)度與剛度；應(yīng)盡可能使其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重量輕、以減輕手臂的負(fù)荷。本機(jī)械手應(yīng)能抓取生產(chǎn)線上的零件，轉(zhuǎn)過一定角度(90)后將零件放下。要求抓取零件的重量可達(dá)到7公斤，手爪的開合尺寸可達(dá)到110毫米。另，并通過設(shè)計(jì)不同形式的手爪結(jié)構(gòu)形式能適應(yīng)不同零件結(jié)構(gòu)及尺寸的需求。2）腕部又稱手腕。是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件其功能是在手臂和腰部實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)部空間的三個(gè)位置坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，在由腕部來實(shí)現(xiàn)在作業(yè)空間的姿態(tài)坐標(biāo)。腕的設(shè)計(jì)要求：由于腕

11、部處于手臂末端，為減輕手臂負(fù)荷，應(yīng)力求腕部部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其重量與體積；不盲目增加腕部的自由度數(shù)；為提高腕部的精度，應(yīng)提高傳動的剛度，應(yīng)盡量減少機(jī)械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)會差。本機(jī)械手?jǐn)M采用兩自由度腕部結(jié)構(gòu)，分別為腕關(guān)節(jié)擺動和手爪轉(zhuǎn)動，以滿足搬運(yùn)作業(yè)的空間姿態(tài)要求。為使腕部結(jié)構(gòu)簡單緊湊，將腕關(guān)節(jié)驅(qū)動安排在小臂內(nèi)，通過傳動機(jī)構(gòu)帶動手腕套筒繞腕關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)擺動；電機(jī)安裝在手腕套筒內(nèi)，由電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動手爪的轉(zhuǎn)動。臂部又稱手臂。由動力關(guān)節(jié)和連接桿件等構(gòu)成，用來支撐和調(diào)整手腕和末端執(zhí)行器的部件。一般具有2-3個(gè)自由度，包括驅(qū)動裝置、傳動裝置、定位裝置和檢測原件等。因臂部自身重量較大，還要承受手腕

12、、末端執(zhí)行器和工件的重量，以及在運(yùn)動中產(chǎn)生的動載荷，故其受力情況較復(fù)雜。 臂部的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足作業(yè)任務(wù)的工作空間要求；根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；應(yīng)盡量減少手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和力矩，以減少驅(qū)動裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動載荷和沖擊，提高運(yùn)動的響應(yīng)速度；設(shè)法減少機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差，提高運(yùn)動精度和剛度，提高定位精度。 本機(jī)械手臂擬采用三自由度結(jié)構(gòu)形式，分別為兩個(gè)俯仰自由度和一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度，以滿足搬運(yùn)作業(yè)的空間位置要求。為減輕手臂重量，綜合考慮材料各性能參數(shù)，采用鋁合金作為選材。小臂繞肘關(guān)節(jié)和大臂繞肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動，綜合轉(zhuǎn)矩、

13、慣性和平衡性等要求，將各關(guān)節(jié)驅(qū)動源分別放在前一關(guān)節(jié)處，通過傳動裝置帶動大、小臂繞各自關(guān)節(jié)軸實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。肩部繞機(jī)座腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，大臂、小臂以及手爪隨之轉(zhuǎn)動，腰關(guān)節(jié)軸驅(qū)動放置在機(jī)座內(nèi)。 機(jī)座是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用，可分為固定式與移動式兩種。因?yàn)檫@里研究的機(jī)器人為流水線機(jī)器人，所以，選擇固定式機(jī)座。其直接支承和驅(qū)動手臂部件、實(shí)現(xiàn)臂部回轉(zhuǎn)。2.2傳動、驅(qū)動方式的分析與選擇 傳動方式的選擇是指選擇驅(qū)動源及傳動裝置與關(guān)節(jié)部件的連接形式和驅(qū)動方式?；镜倪B接形式和驅(qū)動方式有如下幾種:直接連接傳動、遠(yuǎn)距離連接傳動、間接驅(qū)動、直接驅(qū)動。 驅(qū)動源常用的方式主要有：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動和

14、交流電機(jī)驅(qū)動四種基本類型。交流電機(jī)驅(qū)動是新近發(fā)展起來的一種驅(qū)動方法。 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動主要通過油缸、馬達(dá)、齒輪齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，利用擺動油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪與鏈條實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大，運(yùn)動平穩(wěn)，可無極變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10各大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便、維護(hù)簡單、成本低。缺點(diǎn)是出力小、體積大。由于氣壓的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，速度不宜控制，響應(yīng)慢，動作不平穩(wěn)，有沖擊，只能用于點(diǎn)位控制，

15、而且潤滑性差，氣壓系統(tǒng)容易生銹，為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。 電氣式：其驅(qū)動系統(tǒng)一般由電機(jī)驅(qū)動，現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機(jī)作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動則用電動機(jī)帶動絲杠螺母機(jī)構(gòu)；優(yōu)點(diǎn)是電源方便，信號傳遞，運(yùn)算容易、響應(yīng)快、驅(qū)動力大，適用于中小型工業(yè)機(jī)械手，但是必須使用減速機(jī)構(gòu)（如齒輪減速器、諧波齒輪減速器），所需要的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)，dc伺服電機(jī)和ac伺服電機(jī)。 傳動裝置與一般機(jī)械的傳動裝置的選用和計(jì)算大致相同。但工業(yè)機(jī)器人的傳動系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，要求消除傳動間隙，提高其運(yùn)動和位置精度。傳動裝置除齒輪傳動、蝸桿傳動、鏈

16、傳動和行星齒輪傳動外，還常用滾珠絲杠、諧波齒輪、鋼帶、同步齒形帶和繩帶傳動。經(jīng)綜合分析并考慮系統(tǒng)的整體平衡性，本機(jī)械手?jǐn)M采用直接連接傳動、間接驅(qū)動。驅(qū)動源采用交流伺服電機(jī)（在未通電時(shí)，具有一定的自鎖緊力矩），傳動裝置采用齒輪傳動和絲杠傳動。各關(guān)節(jié)所采用的驅(qū)動方式如下：1）機(jī)座回轉(zhuǎn)：由伺服交流電機(jī)通過一對直齒輪進(jìn)行豎直方向傳動，帶動機(jī)械手的整體轉(zhuǎn)動。2）大臂回轉(zhuǎn)的肩關(guān)節(jié)：由安裝在機(jī)座內(nèi)的伺服交流電機(jī)驅(qū)動齒輪傳動，從而帶動大臂繞肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生上下運(yùn)動，此運(yùn)動由電動機(jī)1驅(qū)動。3）小臂的上下運(yùn)動。此運(yùn)動由安裝在大臂內(nèi)的電機(jī)驅(qū)動，即電動機(jī)2驅(qū)動。4）小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。此運(yùn)動由電動機(jī)3運(yùn)動。5）手腕的

17、回轉(zhuǎn)運(yùn)動。此運(yùn)動由腕部的電動機(jī)帶動。6）手腕的上下運(yùn)動。此運(yùn)動也由腕部的電動機(jī)帶動（腕部結(jié)構(gòu)內(nèi)部有兩個(gè)電動機(jī)組成）。以上標(biāo)注見下圖1。三、設(shè)計(jì)方案 圖1：重物搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖不仿假設(shè)手臂先左旋抓取物體后右旋放置物體，然后步驟如下：1） 手臂上升：使機(jī)械手相對于工作臺向上移動，提高它的高度，以滿足提取工件的要求。2） 手臂左旋：使機(jī)械手在不改變高度的情況下，相對工作臺向左旋轉(zhuǎn)，以便完成工件移動的要求。3） 手臂抓緊：使多關(guān)節(jié)機(jī)械手抓緊工件，以完成工件的抓緊要求。4） 手臂放松：使多關(guān)節(jié)機(jī)械手放松工件，以便完成工件松開的要求。5） 重復(fù)步驟1）。6） 手臂右旋：使機(jī)械手在不改變高度情況下，相對

18、工作臺向右旋轉(zhuǎn)，以便完成工作移動的要求。7） 重復(fù)步驟3）。8） 重復(fù)步驟4）。該機(jī)械手的自由度，分別為：底座繞s軸作360度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；大臂繞l軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（左右運(yùn)動）；小臂繞u軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動（上下運(yùn)動）；小臂繞r軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動；手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動；手腕的上下運(yùn)動。4、 參考文獻(xiàn)1 吳宗澤。機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊 m. 北京工業(yè)出版社，2004：1881992 陳新元 張安龍。 裝配線機(jī)械手電氣混合控制j.液壓與氣動。2007（3）3 陶相廳、袁銳波、羅景氣，動機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景ol,中國傳動網(wǎng) 20084 上海工業(yè)大學(xué)流控實(shí)驗(yàn)室。氣動技術(shù)基礎(chǔ)m。機(jī)械工業(yè)出版社。19825 李允文. 工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。北京：機(jī)械工業(yè)出版業(yè)，1994,86 候析、劉濤。裝卸機(jī)械手設(shè)計(jì)研究。機(jī)械，2004,77 盧松峰。機(jī)械課程設(shè)計(jì)手冊。第一版。北京工業(yè)出版社，1994,88 李昌輝。自動上料機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)d。哈爾濱工業(yè)大學(xué)，20099 陳志權(quán)?；趐lc氣動機(jī)械手的控制系統(tǒng)j。兵工自動化 2008,4