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分 類 號
密 級
寧寧波大紅鷹學院
畢業(yè)設計(論文)
三自由度搬運機械手機構(gòu)設計
所在學院
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
班 級
08機自3
姓 名
樓楹
學 號
08141010317
指導老師
何潤琴
年 月 日
誠 信 承 諾
我謹在此承諾：本人所寫的畢業(yè)論文《三自由度搬運機械手設計》均系本人獨立完成，沒有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點和材料，均作了注釋，若有不實，后果由本人承擔。
承諾人（簽名）：樓楹
年 月 日
摘 要
機械手是一種機械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機械手是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)裝備。機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機械手是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機械設計原理，進行三自由度搬運機械手的設計，熟悉三自由度機械手的運用場合和相關(guān)的設計步驟。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合三自由度設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題．解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機械手使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。
關(guān)鍵詞：機械手，輸送工件，搬運，三自由度
III
Abstract
Manipulator is a mechanical technology and electronic technology with the combination of high technology products. Using manipulator is to improve product quality and productivity, and realize the automatic production process, improve working conditions, and reduce labor intensity of a kind of effective method. It is an imitation of the upper part of the human body function, according to the predetermined requirement or parts transportation holding tools for operation of the automation technology and equipment. Robots can replace the hands of heavy labor, significantly reduce the labor intensity, improve working conditions, and improve labor productivity and production automation level. Industrial production often appears in the handling of the heavy and long-term, frequent, drab operation, USES the manipulator is effective; In addition, it can be in high temperature, low temperature, deep water, the universe, radioactive and other toxic, pollution environment conditions operation, more shows its superiority, with broad prospects.
This topic is the main content of the mechanical design principle of the design of the three dof carrying manipulator, familiar with three degrees of freedom of the manipulator using occasions and related design steps. Robots can replace a lot of repeatability of physical labor, so as to reduce the labor intensity, improve production efficiency. Combined with three degrees of freedom all aspects of design knowledge, in the design process learn how to find out the problem to solve problems. And in the design idea and into their idea, improve their innovation ability. Try to make robots easy to use simple structure.
Key Words: Manipulator, conveying work piece, handling, three degrees of freedom
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
第1章 緒 論 1
1.1機械手的特點 1
1.2機械手的組成 2
1.3 本文研究主要內(nèi)容 3
第2章 三自由度搬運機械手機構(gòu)總體方案設計 4
2.1機械手的基本技術(shù)參數(shù)確定 4
2.1.1自由度 4
2.1.2坐標形式的選擇 4
2.1.3規(guī)格參數(shù) 6
2.1.4有效負載 6
2.1.4運動特性 7
2.2 機械手材料的選擇 7
2.3機械臂的運動方式 8
2.4機械手的驅(qū)動元件 9
第3章 各主要組成部分設計 10
3.1 爪部機構(gòu)設計 10
3.1.1 手部設計計算 10
3.1.2 腕部設計計算 14
3.1.3 臂伸縮機構(gòu)設計 16
3.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設計 18
3.3 機身結(jié)構(gòu)的設計 20
3.3.1 電機的選擇 20
3.3.2 減速器的選擇 21
3.3.3 螺柱的設計與校核 21
3.3.4 機座的機械結(jié)構(gòu)示意圖 23
總結(jié)與展望 25
參考文獻 26
致 謝 27
第1章 緒論
第1章 緒 論
隨著人類科技的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，機器人學成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，機械手作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機械手的身影。機械手產(chǎn)品的應用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務娛樂等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機械手正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領(lǐng)域。機械手是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機械手善于完成重復的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機械手的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機械手的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果，也是社會發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機械手這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機械手的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機械手或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；。英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。
由于機械手的迅猛發(fā)展，機械手進入學校教學是必然的。三自由度機械手作為是機械手的典型產(chǎn)品，其設計及應用對機電一體化、機械結(jié)構(gòu)工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業(yè)的教學及研究都有著很重要的意義。
1.1機械手的特點
1機械手能進行自動化生產(chǎn)，降低成本。就本次設計的三自由度搬運機械手而言，它能不間斷的搬運零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本。
2機械手能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產(chǎn)會使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會產(chǎn)生人工污染。
3機械手能改善勞動條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，人工操作會有危險，機械手能代替人工作，改善了人們的勞動條件。
4機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動中解放出來，人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
5機械手的靈活性、通用性強。它能通過更換部件來適應不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過改變程序和自由度來達到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機械手能滿足各種各樣的零件生產(chǎn)，在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用。
1.2機械手的組成
工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。
1.2.1執(zhí)行機構(gòu)
一般機械手的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅(qū)動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機械手能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。
氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復運動機構(gòu)復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.2.3控制機構(gòu)
機械手的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.3 本文研究主要內(nèi)容
通過利用網(wǎng)絡工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解三自由度搬運機械手的相關(guān)知識，確定本設計符合要求，滿足需要。具體設計方法如下：
1、查閱資料、結(jié)合所學專業(yè)課程，產(chǎn)生三自由度搬運機械手結(jié)構(gòu)設計的基本思路，
2、查閱各類機械機構(gòu)手冊，確定合理的三自由度搬運機械手結(jié)構(gòu)；
3根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)來選擇合適的手部、腕部、臂部等部位
4、重點對驅(qū)動機構(gòu)及控制機構(gòu)進行設計研究；
5、通過研究國內(nèi)外情況，確定本設計課題的重點設計；
6、完成2D裝配圖的設計和繪制，并由此繪制零件圖：
7、編寫設計說明書；
8、檢查并完善本設計課題。
本設計采用的方法是理論設計與經(jīng)驗設計相結(jié)合的方案，所運用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。
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寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）
第2章 三自由度搬運機械手機構(gòu)總體方案設計
本文的重要任務是完成機械手的設計，本章內(nèi)容是圍繞機械手機構(gòu)設計任務來展開，介紹機械手執(zhí)行機構(gòu)設計思路。
2.1機械手的基本技術(shù)參數(shù)確定
表示機器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標形式的選擇、
2.1.1自由度
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。
機械手的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復雜，自由度的增加也意味著機械手整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機器人基于對定位精度和重復定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用機械手有5～6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有2～3個自由度），專用機械手有1～2個自由度即可滿足使用要求。此次機械手設計要求的工作方向為兩個直線方向和一個旋轉(zhuǎn)方向。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作。在滿足前提條件上盡量使結(jié)構(gòu)簡單，所以我們這次選擇三自由度機械手。
2.1.2坐標形式的選擇
機械手的坐標形式主要可分為：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型另外還有比較復雜的SCARA型和并聯(lián)型。
1直角坐標型機械手：這類機械手就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn)，該形式機械手具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點。但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，且移動軸的結(jié)構(gòu)復雜，占地面積大。而且需架空線路。
2圓柱坐標型機械手：這種機械手如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型機械手，通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復合而成。這種機械手，占地面積小而活動范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應用范圍較廣泛。機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個移動軸的設計較為復雜。
3球坐標型機器人： 這類機械手如圖2-1（c）的俯仰型機械手，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類機械手具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。
4關(guān)節(jié)坐標型機械手：如圖2-1（d）的屈伸型機械手，主要由立柱、前臂和后臂組成。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復雜。
圖2- 1機械手的坐標形式
本次設計的三自由度機械手主要用來運輸2流水線的零件，2者距離1.5m，這就要求機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小。根據(jù)上面4種坐標形式，我選擇了圓柱坐標形式，這種形式比較符合這次設計的需要。圖2-2是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。
圖2- 2 機械手基本形式示意
2.1.3規(guī)格參數(shù)
用途：搬運物料
抓重：5 kg
(工件的重量為2.72kg(此數(shù)據(jù)通過3D軟件測量所得)為了保證有一定的負載余量)
自由度：3
坐標形式：圓柱坐標形式
最大工作半徑：800mm (兩條輸送帶間距為1.5m,將機械手的位置布置在2條輸送帶之間,保留每邊50mm的余量)
手臂最大中心高：1.5m
2.1.4有效負載
有效負載是指機器人操作臂在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了機械手的負載能力。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質(zhì)量，還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負載是指高速運行時的有效負載。本文中機械手的作業(yè)對象為質(zhì)量較輕的物體，零件尺寸：內(nèi)孔 ￠100，壁厚 10，高100。 零件材料：45鋼，工件的重量為2.72kg(此數(shù)據(jù)通過3D軟件測量所得)為了保證有一定的負載余量，機械手的有效負載暫且設定為5公斤。
圖2-3 工件圖
2.1.4運動特性
速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。提高速度可以提高工作效率，因此提高機器人的加減速速能力，保證機器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對于本文中的機械手，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\動速度;而在其有負載時，末端執(zhí)行器(手爪)通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務必要盡量減少手臂的運動速度。總的來說，機械手的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。
2.2 機械手材料的選擇
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來進行選擇，并滿足機器人的設計和制作要求。從設計的思想出發(fā)，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機器人手臂是一種伺服機構(gòu)，要受到控制，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料：
(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強度鋼:這類材料強度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增加了4~5倍、彈性模量E大、抗變形能力強，是應用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料:其共同特點是重量輕、彈性模量E不大，但是材料密度小，則E/p之比仍可與鋼材相比;
(3) 陶瓷:陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工型不好，與金屬等零件連接的接合部需要特殊設計。然而，日本己試制了在小型高速機器人上使用的陶瓷機器人手臂的樣品;
從本文設計的機械手的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構(gòu)件。
2.3機械臂的運動方式
根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設計的基礎(chǔ)。常見的機器人的運動形式有五種:直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。同一種運動形式為適應不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到機械手的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點，故選用關(guān)節(jié)型機械手。這類機械手一般由2個肩關(guān)節(jié)和1個肘關(guān)節(jié)進行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進行定向。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類機械手運動學比較復雜，運動學的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。
圖2-1 常見的運動方式
2.4機械手的驅(qū)動元件
在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機等幾種。
·步進電機可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進電機就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖的頻率來調(diào)速，能夠快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。
直流伺服電機在機器人中應用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運動。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機相同。按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。.
交流伺服電機在機器人中的應用情況與置流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相.比，，功率大、過載能力強、無電刷、環(huán)境適應性好，因而交流伺服電機是今后機器人用電機的發(fā)展方向。
低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率體積比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率體積比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD電動機(High Density Motor)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。
通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文機械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應用較為廣泛的直流伺服電機作為驅(qū)動電機。
第3章 各主要組成部分設計
3.1 爪部機構(gòu)設計
3.1.1 手部設計計算
(1)對手部設計的要求
(a)有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
(b)有足夠的開閉范圍
根據(jù)工件外圓大小,夾持的大小直徑必須大于120mm 。
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖3.1所示。
圖3.1 機械手機構(gòu)開閉示例簡圖
(c) 力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
(d) 手指應有一定的強度和剛度
(e)其它要求：
因此送料，夾緊機械手機構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
(2)拉緊裝置[4]
如圖3.2所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。
P
圖3.2 油缸示意圖
(a) 右腔推力為
設定活塞的直徑D=50mm,系統(tǒng)壓力P=25Mpa
（3.1）
=
=4908.7N
(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
（3.3）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η （3.3）
=17641.51.1/0.85=3424N
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（3.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取L/Rcp=3 （3.5）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3.6）
由公式（3.5）（3.6）得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機械運動范圍（速度）
(a)伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
(b)上升運動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
(c)下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
(d)回轉(zhuǎn) =90o/s
=30o/s
所以取手部驅(qū)動活塞速度V=60mm/s
(6)手部右腔流量
（3.7）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強
（3.8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
機械手手部的尺寸如圖3.3所示：
圖3.3 示意圖
3.1.2 腕部設計計算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)±90o
角速度=45o/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l =650mm。如圖3.4所示。
(1)計算扭矩[4]
設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（3.9）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖3.4 腕部受力簡圖
(2)油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =5kg S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動缸的摩擦力矩[4]
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動缸的總摩擦力矩 [4]
=++ （3.10）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（3.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；
—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入（3.11）公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
3.1.3 臂伸縮機構(gòu)設計
手臂是機械手機構(gòu)的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。
機械手機構(gòu)的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=500mm
(1)手臂右腔流量，公式（3.7）得：
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（3.8） 得：
（2.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F =10+20=30kg，=1000N。
所以代入公式（3.12）得：
=（30×9.8+1000）/π×402
=0.26Mpa
(3)繪制機構(gòu)工作參數(shù)表如表3.1所示：
表3.1 機構(gòu)工作參數(shù)表
機構(gòu)名稱
工作速度
行程
工作壓力
流量
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂伸縮
60mm/s
45°/s
200mm/s
25mm
±90°
500mm
1.78 Mpa
0.89 Mpa
0.26Mpa
117.8m/s
27m/s
1000ml/s
(4)由初步計算選液壓泵
所需液壓最高壓力
P =1.78Mpa
所需液壓最大流量
Q =1000ml/s
選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）
此泵工作壓力為10Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。
(5)驗算腕部擺動缸：
（3.13）
（3.14）
式中：—機械效率取： 0.85～0.9
—容積效率?。? 0.7～0.95
所以代入公式（3.13）得：
T =0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8
=25.8（N·M）
T < M=30.5（N·M）
代入公式（3.14）得：
W =（8×27×10-6）×0.85/（0.12-0.032）×0.03
=0.673rad/s
W <π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 P =1Mpa
流量 Q =35ml/s
圓整其他缸的數(shù)值：
手部抓取缸工作壓力=2Mpa
流量=120ml/s
小臂伸縮缸工作壓力=0.25Mpa
流量=1000ml/s
3.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設計
液壓控制機械手機構(gòu)的一種主要的控制形式。機械手機構(gòu)的運動速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機械手機構(gòu)的運動速度和操作力，油壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)液壓執(zhí)行元件(馬達和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。
(3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5)液壓元件于其他驅(qū)動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:
(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。
(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。
(3)控制系統(tǒng)比較復雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[4-6]?？傮w系統(tǒng)圖
圖 3.8 總體系統(tǒng)圖
(1)總體系統(tǒng)圖如圖3.8所示,
(2)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(3)電磁鐵動作順序表:
表3.2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機規(guī)格：
液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P =10Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動功率 （3.15）
式中：η=0.8 （經(jīng)驗值）
所以代入公式（3.15）得：
N =10×80×103×106/60×0.8
=16.7KN
選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，轉(zhuǎn)速為2940r/min。
3.3 機身結(jié)構(gòu)的設計
機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的
臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手機構(gòu)的總體布局。本課題機械手機構(gòu)的機身設計成機座式，這樣機械手機構(gòu)可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構(gòu)。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型機械手機構(gòu)。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機身的旋轉(zhuǎn)，從而達到了自由度的要求[7-9]。
3.3.1 電機的選擇
機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉(zhuǎn)運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉(zhuǎn)的電機安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以n =（100/6）×60=1000轉(zhuǎn)/分
選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表3.3 Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表3.3 Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流A
轉(zhuǎn)速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
3.3.2 減速器的選擇
減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增
轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。
初選WD80型圓柱蝸桿減速器。
WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。
蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)
蝸輪的材料為ZQA19-4
中心矩 a=80
Ms×q=4.0×11 （3.16）
傳動比I =30
傳動慣量0.265×10ˉ3kg·m2
3.3.3 螺柱的設計與校核
螺桿是機械手機構(gòu)的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （3.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （3.18）
螺桿強度〖11〗 = σs/3～5 （3.19）
=150/3～5
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應力
(3.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應力
所以代入公式（3.20）得：
=
=
=（2495/ d12）2+3（61.2/ d13）2≤900～2500×1012
=6225025/d14+11236/d16≤900～2500×1012
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強度
=160/6 （旋合圈數(shù)） （3.21）
（3.22）
=200×9.8/π×0.029×3.9×（160/6）×10-3
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=3×200×9.8×3/π×2.9×3.92×（160/6）
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
3.3.4 機座的機械結(jié)構(gòu)示意圖
帶動機身回轉(zhuǎn)的電機：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動機
電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表3.4 Y90S-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表3.4 Y90L-6電動機技術(shù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流
A
轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
機座的機械結(jié)構(gòu)如圖3.10所示:
圖3.10 機座結(jié)構(gòu)圖
三自由度搬運機械手裝配總圖
圖3.11三自由度搬運機械手裝配總圖
寧波大紅鷹學院畢業(yè)設計（論文）
總結(jié)與展望
木文設計了一種小體積的移動機械手，詳細地設計了移動機械手的各個子模塊，包括一個移動抓手和一個三自度的機械手。在全面分析各個系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)研究過程中所遇到的一些問題也進行了深入的研究。
本文所完成的工作達到了預期的目標，但是仍有進一步研究的必要，需要進一步改進的工作是本文在設計時考慮到的移動機械手的工作范圍仍然是有限的，在將來可以集成更多的傳感器在小車的車身上，以便移動平臺能夠更好的適應室外的工作環(huán)境。
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致 謝
致 謝
本論文是在導師何潤琴的悉心指導下完成的，在這次畢業(yè)設計中，何老師給了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時間能完成了畢業(yè)設計，還使我學到了很多有用的經(jīng)驗。在這里我衷心的感謝她。我還要感謝這四年能教授我知識的老師們，還有曾經(jīng)幫過我的同學們。
經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲。由于實踐經(jīng)驗的匱乏，本次設計難免有考慮不周的地方。如果沒有何老師的悉心指導以及本組人員的支持，恐怕設計不會這么順利完成。自開題一來，何老師一直認真指導設計的每個環(huán)節(jié)，從資料的查閱到具體方案的修改，任老師都提出了寶貴的建議，讓我受益匪淺。除此之外，何老師科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和淵博的專業(yè)知識更是我永遠學習的榜樣。再次對老師及本組的同學表示衷心的感謝！
最后還要感謝曾執(zhí)導過和給我?guī)椭睦蠋?！是你們曾?jīng)辛勤的付出才有了我今天知識的積累。
附 錄