金牌小王机械设计门托003572.241913订瑟尸学院毕业设计（论文）工业机器人机械手设计所在学院指导老师年月日诚信承诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文工业机器人机械手设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料， 均作了注释，若有不实，后果由本人承担。承诺人（签名）：年月日摘要本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定 了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构; 设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩; 设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲 器。关键词： 工业机械手，机械手，气动AbstractIn this paper, the mechanical hand the overall scheme design, the manipulator to determine the coordinates of the types and degrees of freedom, determine the technical parameters of the manipulator. At the same time, respectively, the design of the manipulator clamping type hand structure and adsorption type structure of hand; designed the structure of robot wrist, the wrist to calculate the rotation of the driving torque required and a rotary cylinder driving torque; the design of the manipulator arm structure, design of the telescopic arm, a lifting hydraulic buffer and the arm rotary hydraulic buffer.Key Words:industrial robot, manipulator, pump, air pressure drive目录摘 要 IIIAbstractIV目 录 V第 1 章 引 言 71.1 工业机械手概述 71.2 工业机器人机械手的课题设计要求 81.3 机械手的系统工作原理及组成 13第 2 章 机械手的整体设计方案 82.2 机械手的手部结构方案设计 102.3 机械手的手腕结构方案设计 112.4 机械手的手臂结构方案设计 112.5 机械手的驱动方案设计 112.6 机械手的控制方案设计 112.7 机械手的主要技术参数 11第 3 章 手部结构设计 153.1 夹持式手部结构 153.1.1 手指的形状和分类 153.1.2 设计时考虑的几个问题 153.1.3 手部夹紧气缸的设计 16第 4 章 手腕结构设计 204.1 手腕的自由度 204.2 手腕的驱动力矩的计算 204.2.1 手腕转动时所需的驱动力矩 204.2.2 回转气缸的驱动力矩计算 234.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 24第 5 章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 275.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 275.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 275.1.2 尺寸校核 275.1.3 导向装置 285.1.4 平衡装置 285.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 285.2.1 尺寸设计 285.2.2 尺寸校核 285.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 295.3.1 尺寸设计 295.3.2 尺寸校核 29总结 31参考文献 32致 谢 33第 1章 引 言1.1 工业机械人概述随着科技的发展人类的生活也向自动化靠拢，作为自动化中不可缺少的机器人渐 渐地融入我们的生活，成为我们生活中不可缺少的一部分。机器人技术是综合了计算机、 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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水 平的重要标志。在自动化生产领域中，工业机械人是近几十年发展起来的，而工业机器人的各个 部件也随之发展。工业机械臂的是从工业机器人中分支出来的。其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器 各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业具有准确性和各种环境中完成 作业的能力。气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是: 介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具 有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温 和粉尘大的环境中进行工作。气动技术有以下优点:(1) 介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大 气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补 充的问题.(2) 阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小 (一般不卜浇塞 仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样， 造成压力明显降低和严重污染。(3) 动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要 0.02s-0.3s 即可建立起所需的压力和 速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。(4) 能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。（5）工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中 气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控 制性能。（6）成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工 精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动 伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。此外气源 工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界 所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气 动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域 里，对工业机器人机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。1.2 工业机器人机械手的课题设计要求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的自动化的水平， 目前工业机器人主要承担焊接、喷涂、搬运等重复性及强度较大的工作。本文主要设计 一个多自由度的工业机器人的机械手，用于给设备运送物料。首先要选择并设计机械手 的外观结构，选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上应 设计机器人的控制系统，加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性。（建模可 采用pro/e或者solidworks，要出装配图纸）。着重培养学生的能力是：1）掌握机械人结构设计的基本规律及方法；2）学生熟练掌握AutoCAD绘图软件的使用；3）熟悉三维建模软件的建模及 CAE 软件的分析功能；4）学习机器手的相关知识，分析机械手的运动规划路径；5）掌握机械手的控制相关理论。第 2 章 机械手的整体设计方案对工业机器人机械手的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们 具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位 置都能自动定位等特性。设计工业机器人机械手的原则是:充分分析作业对象（工件）的作 业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件 的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等， 从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制 造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械手是通用 气动上下料机械手（如图 2-1 所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变 动作程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操 作环境恶劣的场合。图 2-1 机械手的整体机械结构2.1 机械手的座标型式与自由度按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱 座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动， 因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小 的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。（如图 2-2所示）-LTftM A左立怪爭It图2-2机械手的运动示意图2.2机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒 料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3 机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转 运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回 转气缸。2.4 机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和 降（或俯仰）运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手 臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。2.5 机械手的驱动方案设计由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本 机械手采用气压传动方式。2.6 机械手的控制方案设计考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 （PLC） 对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC 程序即可实现，非常 方便快捷。2.7 机械手的主要技术参数一.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取 的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设 计抓取的工件质量为 5 公斤。二.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要 求，设计速度过低限制了它的使用范围。（如图 2-3 所示）而影响机械手动作快慢的主 要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为l.m/s。最大回转速度 设计为90。/s。平均移动速度为08m/s。平均回转速度为60。/s。机械手动作时有启动、 停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外， 手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或 站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚 性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸 缩行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。手臂升降行程定为120mm。定位精度 也是基本参数之一。该机械手的定位精度为