本科工廠機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——本科工廠機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第46頁共46頁1緒論1.1選題背景機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移出工件功能的自動(dòng)打扮置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中進(jìn)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)更加是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)急速進(jìn)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的進(jìn)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，更加是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已進(jìn)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成片面。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省浩瀚的工件輸送裝置，布局緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)[1]。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很輕易變更，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有確定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是特別必要的。因此，舉行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是分外有意義的。

1.2設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)通過對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)學(xué)識(shí)舉行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠?qū)Ρ群玫乇磉_(dá)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手才能以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。

本機(jī)械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在急速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商參與到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，得志數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，儉約加工輔佐時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。

1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下[2]1機(jī)械布局向模塊化、可重構(gòu)化進(jìn)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；

由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。

2工業(yè)機(jī)器人操縱系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型操縱器方向進(jìn)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；

器件集成度提高，操縱柜日見小巧，且采用模塊化布局；

大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)當(dāng)性、易操作性和可修理性。

3機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來舉行決策操縱；

多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。

4機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來舉行決策操縱；

多傳感器融合配置技術(shù)成為智能化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。

5焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；

以及離線示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。

總的來說，大體是兩個(gè)方向其一是機(jī)器人的智能化，多傳感器、多操縱器，先進(jìn)的操縱算法，繁雜的機(jī)電操縱系統(tǒng)；

其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，得志相對(duì)概括的任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人，主要采用性價(jià)比高的模塊，在得志工作要求的根基上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、干脆、穩(wěn)當(dāng)，大量采用工業(yè)操縱器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。

1.4設(shè)計(jì)原那么這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原那么是以任務(wù)書所要求的概括設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的概括要求。在得志工藝要求的根基上，盡可能的使布局簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低本金，同時(shí)提高穩(wěn)當(dāng)性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和得志生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原那么，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的學(xué)識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及操縱、傳感器、可編程操縱器（PLC）、電子技術(shù)、自動(dòng)操縱、機(jī)械系統(tǒng)仿真等學(xué)識(shí)盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的學(xué)識(shí)得到穩(wěn)定和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人才能水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。

2設(shè)計(jì)方案的論證2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1.1機(jī)械手總體布局的類型工業(yè)機(jī)器人的布局形式主要有直角坐標(biāo)布局，圓柱坐標(biāo)布局，球坐標(biāo)布局，關(guān)節(jié)型布局四種。各布局形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下[3]。

1直角坐標(biāo)機(jī)器人布局直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1a由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置操縱，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)成很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的布局尺寸來講，是對(duì)比小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的布局尺寸要比其他類型的機(jī)器人的布局尺寸大得多。

直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種布局。

2圓柱坐標(biāo)機(jī)器人布局圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1b。這種機(jī)器人構(gòu)造對(duì)比簡(jiǎn)樸，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。

3球坐標(biāo)機(jī)器人布局球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1c。這種機(jī)器人布局簡(jiǎn)樸、本金較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。

4關(guān)節(jié)型機(jī)器人布局關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作生動(dòng)，布局緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間對(duì)比大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用特別廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。

關(guān)節(jié)型機(jī)器人布局，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。

a直角坐標(biāo)型b圓柱坐標(biāo)型c球坐標(biāo)型d關(guān)節(jié)型圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.1.2設(shè)計(jì)概括采用方案圖2-2機(jī)械手工作布局圖概括到本設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，且長(zhǎng)度達(dá)500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的概括形式及對(duì)機(jī)械手的概括要求，考慮在得志系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化布局，以減小本金、提高穩(wěn)當(dāng)度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是布局對(duì)比簡(jiǎn)樸,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位切實(shí)度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。

2.2機(jī)械手腰座布局的設(shè)計(jì)舉行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)片面舉行細(xì)致設(shè)計(jì)。

2.2.1機(jī)械手腰座布局的設(shè)計(jì)要求工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)片面全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量[4]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座布局時(shí)，要留神以下設(shè)計(jì)原那么1腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。

2腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的布局要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載才能。

3機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要更加留神腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。

4腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。

5腰部布局要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有穩(wěn)當(dāng)?shù)亩ㄎ换鶞?zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。

6為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)片面的慣量，提高機(jī)器人的操縱精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)片面的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。

2.2.2設(shè)計(jì)概括采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過搖擺液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。由于電動(dòng)方式操縱的精度能夠很高，而且布局緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔佐元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的概括要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)舉行減速和扭矩的放大。由于齒輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體布局，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座概括布局如圖2-3所示圖2-3腰座布局圖2.3機(jī)械手手臂的布局設(shè)計(jì)2.3.1機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求機(jī)器人手臂的作用，是在確定的載荷和確定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)[6]。在舉行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原那么；

1應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；

相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的操縱。

2機(jī)器人手臂的布局尺寸應(yīng)得志機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的外形和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有緊密的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間容貌要求，假設(shè)對(duì)機(jī)器人手腕的容貌提出概括的要求，那么其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕容貌的工作空間。

3為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與操縱精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在布局上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造繁雜外形工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前對(duì)比有效的手段是用有限元法舉行機(jī)器人手臂布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的處境下，減輕機(jī)器人手臂的重量。

4機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作穩(wěn)當(dāng)、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。

5機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是分外有利的[7]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂剩余的不平衡重量。

6機(jī)器人手臂在布局上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有確定緩沖才能的機(jī)