前言
焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。采用焊接机器手可以稳定和提高焊接质量,保证其均一性，改善了工人的劳动条件，提高劳动生产率，产品周期明确，容易控制产品产量，可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。
在焊接机械手的设计过程中引进基于PRO/ENGINEER的CAD/CAE技术可以大大缩短焊接机械手的研发周期、降低机械手的研发成本、提高机械手的可靠性。因此,利用PRO/E 对焊接机械手进行设计、装配、仿真、分析,对于保证焊接机械手的质量,提高生产率,推动焊接机械手功能部件的发展,加快产品的更新换代具有重要意义。
目前，我国的焊接机械手行业无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高[1]。要想在短时间内赶超外国的产品，形成有自主知识产权的焊接机械手产品就必须借助先进的工具，在实际生产中不断完善和提高。
本设计将以PRO/E软件为平台，探讨焊接机械手的计算机辅助设计方法，并利用PRO/E 软件的强大仿真功能对焊接机械手进行运动分析、装配、仿真，以保证焊接机械手结构的准确性与合理性。
1.绪论
1.1 PRO/E的简介
PRO/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。
1)真实3D模型
在PRO/E中，设计出的模型是真实的3D模型，弥补了传统面结构、线结构的不足。这些3D实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心重量、惯性大小等，以了解产品的真实性，并可以进一步的组建装配等的运算[2]。我们在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算时间。
2)以特征作为设计的单位
PRO/E的特征方式是基于人性化设计的，初次使用PRO/E的人肯定会对特征感到亲切，PRO/E中正是以最自然的思维方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中加入实际的制造思想，也正因为以此特征作为设计的单元，因此可以随时对特征做合理的变化。不违反几何原理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作.
3)单一数据库
在PRO/E中可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在3D 还是在2D图形上做尺寸修改，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的正确性，并避免反复修正所耗费的时间，由于采用单一数据库库，提供了所谓双相关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中同步工程的思想。
4)参数式设计
配合单一数据，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都在数据库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更该3D零件的尺寸，则工程图、组合、模具等就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到涉及修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏露情形，且减少了许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸一个一个修改的繁琐过程，并减少错误的发生。
Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。PRO/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然、更直观，无需采用复杂的几何设计方式[3]。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其它系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其它相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。PRO/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现。
PRO/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能[4]。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP，HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。PRO/Engineer功能如下：
1) 特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）。
2) 参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）。
3) 通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。
4)支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列，PRO/E的各种能用零件设计的程序化方法等)。
5）贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。
1.2 PRO/E的研究意义
PRO/E是三维实体建模与分析软件中性能非常出色的一款。应用PRO/E，可以实现机械零部件的实体建模、虚拟装配、运动仿真、强度分析等工作，具有直观、便捷等特点，是现代机械设计中非常重要的设计工具之一。在进行运动与强度分析工作中，应切实理解软件所适应的工作条件，否则将得到不正确的结果。在当前PRO/E研究基础上，还可在下列领域加强研究，以更好的让PRO/E为机械设计服务。
(1)对主要装配体进行装配应力分析，选取零部件最合理的公差配合，提高装配质量和
性能。
(2)通过虚拟装配，对装配后零件的变形、性能进行预测，便于反馈修改其设计提高装配性能。
(3)对主要部件或整机进行可装配性评价和性能分析，以简化产体结构，减少零部件个数，大幅降低产品的制造费用和装配费用，缩短产品的制造周期和装配周期，提高其装配和整机的性能。
1.3 软件PRO/E的特点
运用PRO/E，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量和产品的系统级性能获得最优化和创新的设计产品。PRO/E不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而PRO/E则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。
1.4 PRO/E的优势分析
PRO/E自美国参数技术公司(ParametricTechnology Corporation)于1988年推出以来，凭借着强大的功能，已成为最普及的3DCAD/CAM系统,广泛用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电等行业。PRO/E软件的功能很多，它集成了实体设计、曲面设计、工程图制作、零件装配、钣金设计等多个应用程序模块。因为它具有单一数据库,可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸，在3D或2D图形上做尺寸修改时，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改。Pro/E的好处是强迫用户使用正确的方法建造模型。例如，草绘一个特征的外形，如果它没有合适的尺寸建造那个特征，Pro/E将不让用户完成特征[9]。因此，Pro/E几何学从未被定义尺寸或者过于定义尺寸不足。同时，装配、制造等相关设计也会自动修改。如此可确保数据的正确性，并避免反复修改的耗时性。这种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程观念。PRO/E基本模块简介如下：Sketch：草图模块,用它绘制特征剖面图；Part：零件模块，用于构件零件，其模型建立方式类似机械加工方式，而且具有参数化定义各尺寸的性质，一个Part文件中只能有一个零件；Assembly：装配模块，用于装配零部件，可以由点和线圈的赋值名、网络注释等。这对用户阅读和调试程序是非常有用的。程序贮存方式:程序的贮存是必要的，其方法有用磁带、软磁盘或EEPROM存贮程序卡等方式，应根据所选机型的技术条件选
择。通信软件包：对于网络控制结构，或者需用上位计算机管理的控制系统，有无通信软件包是选用可编程控制器的主要依据，且通信软件包往往是和通信硬件一起使用[10]。
在这里选择PTC公司的Pro/ENGINEER Wildfire 2.0（以下简称“Pro/E”）作为虚拟设计的软件平台，选择该软件是因为：
1）它具有强大的功能，能够满足本设计要求。
2）它具有实体建模模块，可在此基础上进行零件的虚拟设计和建模。
3）它具有完整的功能仿真分析系统，可以对设计加以仿真和运动分析。
1.5 机械手的一般发展前景
模仿人手和手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势[5]。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
1.6 焊接机械手的背景
国内国外机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影。尽管它们的形态各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是能够接受指令，精确地定位到三维（或二维）空间上的某一点进行作业。
焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境
又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响[5]。采用焊接机器手可以稳定和提高焊接质量,保证其均一性；改善了工人的劳动条件；提高劳动生产率；产品周期明确，容易控制产品产量；可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资.
1.6.1选题的目的
焊接机器人在焊接生产中可提高焊接质量和生产效率，保证了焊接过程的稳定性和产品的一致性，减小了劳动强度，满足了高度柔性化生产的要求。我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长久的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法5个方面而已[3]。
目前，我国虽然具有自主知识产权的焊接机械手系列产品，但是由于我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，进口机器价格的大幅度降低，而且我国国产焊接机械手无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。要想提高在焊接机械手领域的地位，必须从焊接机械手的设计研究、发展、应用上着手。而能否在设计研究取得一定的成果，则是发展和应用的前提[3]。要想在设计研究上快速取得一定的成果，就必须应用先进的工具和设计理念。随着我国加入WTO后国际竞争更加激烈，对焊接机械手的需求会越来越大，我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，要把握这一机遇，迎接挑战，为我国能跻身于机器人强国之列而努力奋斗。
1.6.2选题的意义
焊接机械手占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。
1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。
2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力
劳动中解脱出来。
3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是它可以通过修改程序以适应不同工件的生产。
2.焊接机械手的相关分析
2.1 焊接机械手的的自由度
自由度是指构件所具有的独立运动的数目(或者是确定构件位置所需要的独立参量数目)。
一个不受任何约束的自由主体，在空间运动时，具有6个独立运动参数（自由度），即沿XYZ三个轴的独立移动和绕XYZ三个轴的独立转动，在平面运动时，则只具有3个独立运动参数（自由度），即沿XYZ三个轴的独立移动。主体受到约束后，某些独立运动参数不再存在，相对应的，这些自由度也就被消除。当6个自由度都被消除后，主体就被完全定位并且不可能再发生任何运动。如使用销钉连接后，主体沿XYZ三个轴的平移运动被限制，这三个平移自由度被消除，主体只能绕指定轴（如X轴）旋转，不能绕另两个轴（YZ轴）旋转，绕这两个轴旋转的自由度被消除，结果只留下一个旋转自由度。冗余约束指过多的约束。在空间里，要完全约束住一个主体，需要将三个独立移动和三个独立转动分别约束住，如果把一个主体的这六个自由度都约束住了，再另加一个约束去限制它沿X轴的平移，这个约束就是冗余约束[6]。合理的冗余约束可用来分摊主体各部份受到的力，使主体受力均匀或减少磨擦、补偿误差，延长设备使用寿命。冗余约束对主体的力状态产生影响，对主体的对运动没有影响。因运动分析只分析主体的运动状况，不分析主体的力状态，在运动分析时，可不考虑冗余约束的作用，而在涉及力状态的分析里，必须要适当的处理好冗余约束，以得到正确的分析结果。
机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
6自由度焊接机械手具有6个自由度，其中包括沿3个轴的移动自由度，和3个轴旋转自由度。6自由度焊接机器人的机械执行机构是一个复杂相互作用的多连杆结构。
通过3个(腰、臂、肘)旋转运动来完成机器人的手臂运动，以达到实现空间焊缝轨迹所需的运动要求，用腕部的3个旋转运动来完成焊枪空间姿态的变化。各个旋转轴的驱动
相对其他轴而言都是独立的，但相互之间又建立必要的联系。
图2-1六自由度焊接机械手 图2-2 六自由度焊接机械手坐标系
Figure 2-1 6 dof welding robot Figure 2-2:6 dof welding robot coordinate system
图2-3 焊接机械手自由度标示
Figure 2-3 welding robot freedom 1: 腰绕着转基座旋转，一个旋转自由度 ２：摆臂可绕着转腰旋转，一个旋转自由度 ３：小臂绕着摆臂旋转，一个旋转自由度 ４：摆肘绕着小臂旋转，一个旋转自由度
５：转腕绕着摆肘旋转，一个旋转自由度 ６：转动轴绕着转腕旋转，一个自由度 本设计之所以选择6自由度焊接机械手，就是因为其具有占地面积小、动作范围大、空间移动速度快、灵活性和通用性高等优点。其主要部件包括：基座、转腰、摆臂、小臂、转肘、转腕、转动轴、曲柄、套筒、焊枪[4]。
本设计是6自由度的机械手，可以实现一般的空中运动过程。通过这六个自由度实现升降、伸缩和旋转这几个主要动作。在图2-3中序号1、2等所标示的地方都各只有一个自由1 2 3 4 5
6
度。通过这几个关节的综合运动，可以实现一些我们经常用到的动作。
2.2 焊接机械手目前的发展状况
国外机器人领域发展最近几年与如下及个趋势[8]：
（1）工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。
（2）机械机构像模块化.可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机，国外已有模块化装配机器人产品问世。
（3）工业机器人控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展；便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化机构，大大提高了系统的可靠性，易操作性和可维修性。
（4）机器人中的传感器作用日渐重要，除采用传统的位置，速度，加速度等传感器外，装配，焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器。
（5）虚拟现实技术在机器人中做的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制.
2.3研究基于PRO/E的焊接机械手的目的
PRO/E的运动学分析模块“机构”可以进行机构的装配和运动学仿真，这样可以使得原来在二维图纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修改，并且能够大大减少机构的设计开发过程，缩短其开发周期，减少开发费用，同时提高产品质量，在PRO/E中，运动仿真的结果不但可以以动画的形式表现出来，还可以以参数的形式输出，从而可以获知零件之间是否干涉，干涉的体积有多大等。根据仿真结果对所设的零件进行修改，直到不产生干涉为止。
焊接机械手的自由度比较多，运动比较复杂，利用PRO/E中的仿真功能，创建伺服电动机，建立槽曲线，定义运动分析，使焊枪按照预定的轨迹运动，最后根据生成的焊枪头的速度时间曲线，如果速度波动较大，我们加以修改之后再生成新的波动较小的曲线，争取采取合理的措施，这些使我们在PRO/E基础上研究焊接机械手的其中一个目的。
这就是研究基于PRO/E的机械手的优势，经济成本的大幅度减少和研究周期的缩短，使得在PRO/E基础上研究焊接机械手成为一种趋势。并且在以后的生产中，这门技术更会大大的投入。
3.焊接机械手的建模
3.1 逆向工程建模思想
工业中的许多领域，都需要创建已存在物体的计算机几何模型，但往往又得不到现成的这类几何模型，因此，就需要由实际形体来生成计算机几何模型，这项工程就是逆向工程。
逆向工程可以简单的定义为这么一个过程:在没有工程图纸的情况下，对实际物体进行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其CAD模型的过程，由实际物体反求出设计模型来。
逆向工程与传统的正向设计的根本区别在于:正向设计是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到CAD模型有一个明确的过程;而反向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产要求。从数字化的点的生成到CAD模型的创建是一个推理的过程[9]。
逆向工程通常从测量一个己存在的实际物体开始，这样就能生成一个曲面或实体模型，以便能充分利用CAD/CAM技术的各种优点。一旦重构出自由曲面和建立CAD模型后，就可以进行一系列后续操作，如零件设计、有限元分析、模型修改、误差分析以及数控加工指令生成。
本设计利用PRO/E建立三维模型，然后把建好的模型进行虚拟装配和运动仿真。最后对运动进行分析找出设计的缺陷和不足，结合实际对缺陷和不足进行修改和调试完善设计。
3.2 典型零件的建模
基准是建立模型的参考，在PRO/E中，基准虽不是实体或曲面的特征，但也是特征的一种，其主要用途为，在进行3D几何设计时作为参考或基准数据，如作为剖面绘制的参考面，3D模型的定位参考面，组合零件参考面等[10]，例如一个孔特征可以将一基准轴当成其中心线，此基准轴可作为孔半径标注的基准，也可以建立相对于孔基准轴的其他特征，当基准轴移动时，孔也移动，其他特征也随之移动。在下面介绍的零件建模里面我们可能会用到这些知识。
下面介绍的是焊接机械手中的零件转腕的三维建模：
1）打开文件下选取“新建”点击“零件”，建立名称为axis-bw的零件，如图3-1，
再点击“确定”，在“新文件选项”里，选取mmns-prt-solid,，再点击“确定”。
图3-1新建零件图3-2选择模板
Figure 3-1 new parts Figure 3-2 choices template
2)选取草绘平面，选取FRONT平面为草绘平面，如图3-3使用“拉伸”特征操作工具，建立如图3-4所示的立柱。
图3-3选取草绘平面图3-4拉伸为圆柱
Figure 3-3 draw plane. Choose grass Figure 3-4 stretching for cylinder
图3-5选取草绘界面画圆
Figure 3-5 selection rough circle interface
图3-6成型
Figure 3-6 molding
3）定义立柱下表面为草绘平面，绘制直径为60的圆，如图选取拉伸特征工具，绘制立体，如图3-5，3-6。
4）再选取“镜像”工具，以right平面为中心面，如图3-7，结果如图3—8.
,
图3-7镜像
Figure 3-7 mirror
F igure 3-8 selection rough surface
图3-9绘制拉伸的圆图3-10拉伸成型
Figure 3-9 rendering tensile circle Figure 3-10 strectch forming
5)在新建的基面上绘制直径为75的圆，再选取“拉伸”工具。
其他的操作步骤可以见如图3-11，3-12，3-13，3-14，3-15，3-16，此零件的建模已经完成了，在零件建模的这个过程中，用到了拉伸特征、镜像、倒角、和倒圆角、建立基准平面等工具，对于尺寸我们随时更改，按照我们的需要，我们知道PRO/E最大的优势就是可以随时更改尺寸，并且整体随之改变。
最后通过视图管理器给零件给零件图上我们喜欢的颜色，以便与其他零件区分。
其他几个零件的建模和这个零件所用的特征工具相差无几，都是比较常用的工具，在
熟练的基础上绘制起来比较容易，因为篇幅限制，暂且只介绍这个零件.
图3-11绘制拉伸的圆图3-12拉伸成型Figure 3-11 draw tensile circle Figure 3-12 strectch forming
图3-13绘制图3-14打孔
Figure 3-13 rendering Figure 3-14 punch
图3-15倒角
Figure 3-15 chamfering
图3-16上色
Figure 3-16 coloring
3.3 焊接机械手的一些主要零件图
本次设计的焊接机械手是由一个焊枪和一般的机械手组成的，它主要由基座、转腰、摆臂、小臂、转肘、转腕、转动轴、曲柄、套筒、焊枪等几个部分组成，下面介绍这些元
件的零件图。
Figure 3-17 forearm Figure 3-18 turn waist
Figure 3-19 axis Figure 3-20 swing arm
图3-21转腕图3-22 摆肘
Figure 3-21 turn wrist Figure 3-22 pendulum cub its
图3-23基座图3-24套筒
Figure 3-23 base Figure 3-24 sleeve
图3-25焊枪图3-26曲柄Figure 3-25 welding torch Figure 3-26 crank
4.焊接机械手的装配
4.1 装配的注意事项
Mechanism是Pro/E的运动仿真模块，它可以生成复杂机械系统的运动仿真和模拟运动过程。为了成功地在Mechanism中定义正确的连接和伺服驱动。充分理解其连接类型至关重要。当向一个装配体添加一个元件时，可通过各种“连接”将元件装配到装配体中。连接的类型包括剐性、销钉、滑动等，连接到装配体中的元件与装配体中其他的元件间存在相对运动，运动的类型与选取的连接类型有关[11]。每一种连接类型都与一组独立的几何约束相关联，这些约束与传统的Pro/E放置约束(对齐、旺配等)意义相同；而每一种连接类的约束都与指定的自由度相关联。例如，一个销钉接头有1个旋转自由度和0个平移自由度，这意味着使用销钉连接的物件将以相对于它所依附的元件旋转，但不能在该元件上移动和移开。表4-l将说明几种常用的连接类
表4-1 各连接项自由度简介
Tab. 4-1 Items linking the brief freedom
连接的类型约束的自由度
销钉元件可以绕轴旋转，具有1个旋转自由度，总自由度为1。
圆柱比销钉约束少了一个平移约束，因此元件可绕轴旋转同时可沿轴向平移，具有1个旋转自由度和1个平移自由度，总自由度为2。
滑动杆
由一个轴对齐约束和一个旋转约束(实际上就是一个与轴平行的平移约束)组
成。元件可滑轴平移，具有1个平移自由度，总自由度为1。
轴承
元件可沿轴线平移并任意方向旋转，具有1个平移自由度和3个旋转自由度，
总自由度为4。
平面
元件可绕垂直于平面的轴旋转并在平行于平面的两个方向上平移，具有1个旋
转自由度和2个平移自由度，总自由度为3。
球
元件上的一个点对齐到组件上的一个点，比轴承连接小了一个平移自由度，可
以绕着对齐点任意旋转，具有3个入旋转自由度，总自由度为3。
刚性
如果将一个子组件与组件用刚性连接，子组件内各零件也将一起被“粘”住，
其原有自由度不起作用。总自由度为0。
4.2 整个装配过程
元件的装配过程实际上就是元件之间的约束限位和定位的过程，根据不同的设计要求和不同的元件选择合适的装配约束类型，从而可以将元件限位和定位。
1)打开文件下“新建”，选取“组件”，勾选“使用缺省模块”,此时建立名称为asm001的图，如图4-1所示。
2）点击界面右边“增加原件”的按钮，再选取工具栏里“打开”，增加零件BRACK。
3)接下来的就是装配转腰、摆臂、小臂、摆肘、转腕、转动轴、曲柄、和套筒焊枪。
在零件装配过程中，转腰、摆臂、小臂、摆肘、转腕、转动轴都是销钉连接，操作步骤相差无几，在此就不赘述了。
在装配过程中一定要准确的选择轴线和平面，否则不能合适的装配。
图4—1新建组件界面
Figure 4-1 new component interface
图4—2基座放置
Figure 4-2 base
Figure 4-3 turn pin connections. Waist
Figure 4-4 forearm pin connections
电气控制与PLC 课程设计说明书 题目机械手控制 院系机械工程学院 专业机械工程及自动化(电梯工程) 班级0722112 学号072211221 学生姓名孙奇 指导教师胡朝斌、易风 机械工程学院 2014年6月
目录 一、绪论 (3) 二、机械手的工作原理 (4) 2.1机械手的概述 (4) 2.2机械手的工作原理 (5) 三、机械手的工作流程图 (7) 四、输入和输出点分配图及原理接线图 (8) 五、元器件选型清单 (10) 六、控制程序 (14) 6.1初始化流程图设计 (14) 6.2手动操作梯形图 (15) 6.3回原点方式顺序功能图 (16) 6.4自动方式顺序功能图 (17) 6.5 PLC总程序梯形图 (18) 七、总结 (23) 参考文献 (24)
一、绪论 1.1 可编程序控制器的应用和发展概况 可编程序控制器（programmable controller），现在一般简称为PLC （programmable logic controller），它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术、通信网络技发展起来的一种通用的工业自动控制装置。以其显著的优点在冶金、化工、交通、电力等领域获得了广泛的应用，成为了现代工业控制三大支柱之一。 1.2 PLC的应用概况 PLC的应用领域非常广，并在迅速扩大，对于而今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC，尤其近几年来PLC的性价比不断提高已被广泛应用在冶金、机械、石油、化工、轻功、电力等各行业。 按PLC的控制类型，其应用大致可分为以下几个方面。 （1）用于逻辑控制 这是PLC最基本，也是最广泛的应用方面。用PLC取代继电器控制和顺序控制器控制。例如机床的电气控制、包装机械的控制、自动电梯控制等。 （2）用于模拟量控制 PLC通过模拟量I/O模块，可实现模拟量和数字量之间转换，并对模拟量控制。 （3）用于机械加工中的数字控制 现代PLC具有很强的数据处理功能，它可以与机械加工中的数字控制（NC）及计算机控制（CNC）紧密结合，实现数字控制。 （4）用于工业机器人控制 （5）用于多层分布式控制系统 高功能的PLC具有较强的通信联通能力，可实现PLC与PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与上位机之间的通信。从而形成多层分布式控制系统或工厂自动化网络。 1.3 PLC概况及在机械手中的应用 （1）可靠性高、抗干扰能力强 （2）控制系统构成简单、通用性强 由于PLC是采用软件编程来实现控制功能，对同一控制对象，当控制要求改变需改变控制系统的功能时，不必改变PLC的硬件设备，只需相应改变软件程序。
摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。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工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后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，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。 关键词：机器人，示教编程，伺服，制动
ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake
上下料机械手课程设计说明书
专业课程设计 任务书 一、目的与要求 《专业课程设计》是机械设计及自动化专业方向学生的重要实践性教育环节，也是该专业学生毕业设计前的最后一次课程设计。拟通过《专业课程设计》这一教学环节来着重提高学生的机构分析与综合的能力、机械结构功能设计能力、机械系统设计的能力和综合运用现代设计方法的能力，培养学生的创新与实践能力。在《专业课程设计》中，应始终注重学生能力的培养与提高。《专业课程设计》的题目为工业机械手设计，要求学生在教师的指导下，独立完成整个设计过程。学生通过《专业课程设计》，应该在下述几个方面得到锻炼： 1．综合运用已学过的“机械设计学”、“液压传动”、“机械系统设计”、“计算机辅助设计”等课程和其他已学过的有关先修课程的理论和实际知识，解决某一个具体设计问题，是所学知识得到进一步巩固、深化和发展。 2．通过比较完整地设计某一机电产品，培养正确的设计思想和分析问题、解决问题的能力，掌握机电产品设计的一般方法和步骤。 3．培养机械设计工作者必备的基本技能，及熟练
地应用有关参考资料，如设计图表、手册、图册、标 准和规范等。 4． 进一步培养学生的自学能力、创新能力和综合 素质。 二．主要内容 表1精锻机上料机械手主要技术参数 手臂运动形式 （ 圆柱坐标式 抓取重量 60kgf 自由度 4个 手 手臂运动行程和速度 水平伸缩 500mm 设定点2 升降 600mm 设定点2 左右旋转 200度 设定点3 手腕回转和速度180度 设定点2 手指夹持范围 四种规格 90-120 定位方式和定位精度 机械挡块 +-1mm 控制方式 点位程控，开关板预选 驱动方式 液压 kgf/cm2
1. 前言 1.1前言 本书记载了本控制系统的操作维修和发生故障时的处理方法。 请仔细阅读该说明书，并充分理解其所述内容。 禁止执行或使用本说明书中没有记述的步骤或方法。 尚未充分理解本说明书的内容即对机械手进行操作，如出现机械故障或造成人员伤亡，本公司概不负责，敬请谅解。 为了任何人在任何情况下都能够阅读到本说明书，请将本说明书放置在机械手附近，并决定保管责任人负责管理。 危险程度标志 本说明书中记录的安全注意事项共分为下三类，危险程义高的时候，请尤其要小心操作。 ■关于要点提示（POINT） 有关操作要点的提示在本书中以标志来表示。
1.1安全注意事项■保养作业 ■完成作业后
1.2安全注意事项 为了安全正确地使用自动机械手，危险的地方贴有警告标志。 ■危险程度标志 本说明书中记录的安全注意事项共分为下三类，危险程义高的时候，请尤其要小心操作。 ■警告标志板的种类 ※请注意，可能存在着在本类型的机械中没有使用的警告标志。
上下动作危险的警告 引拔动作危险警告 横行动作危险警告 机械手在工作X围内是高速运转的，所以 本机在自动运转的时候，请勿进入到工作 X围内。另外，即使在自动运行以外，以 保养机械为目的或其它理由，身体或身体 的某部分进入到工作X围内的时候，必须 按照一定的步骤，关闭电源和空气压力开 关后，再进行操作。 详细请参照手册的《2.操作说明》。 高压电触电的警告
保养作业时，请务必注意切断控制箱的电 源（OFF位置）。特别是在进行控制箱内 部的保养作业时，需要取下与射出机相连 接的电缆，并关闭工厂的主控电源开关。 高压电触电警告的X围内应注意所有特 定的地方（如端子台等），都应该有这类 的标志。 小心冷却风扇警告 请勿接近旋转中的冷却风扇。 小心电动机高温的警告 电动机在工作时处于高温状态，请勿靠近 运行中的电动机。 以保养为目的需要接触电动机的时候，请 先关闭电源，等电动机冷却后再进行操 作。 注意行程调整
（2）水平面内转30度，手臂自转90度，前进50mm。
机械手的夹持器还有夹紧和放松动作； 机械手工作频率：20/min； 升降 0.3kw，摆动 0.1kw，伸缩 0.1kw，夹持 0.2kw。2执行机构的选择与比较 §2-1 转角机构（实现平面转角0 30功能） 方案一 实现平面转角0 30的过程：电机带动不完全 齿轮运动，不完全齿轮带动全齿轮运动，与全 齿轮固结的四杆机构，使滚子在预先设计好形 状的槽内运动，左右运动的极限位置恰好是30 度。 机构评价： 优点：因为槽的形状固定，所以能保证在一个 行程内，机构的平面转角就是30度。 不完全齿轮的使用，为机械手在抓放物 体时留下了工作时间。 缺点：由于四杆机构的运动被槽限制住，最短杆 无法做周转运动，导致机构的回程要求齿 轮的翻转，必须在前面加入变速箱改变速 度方向。 方案二 实现平面转角0 30的过程：皮带轮传动给蜗 轮蜗杆从而使不完全齿轮，有间歇地带动完全齿 轮转动，齿轮通过杆拉动齿条，由齿轮来回往复 地带动固接杆转动0 30 机构评价： 优点：同样具有结构简单，传力较小运 动灵活，造价低准确地实现转角0 30的 要求，可以控制间歇实现循环功能。 缺点：磨损较严重，效率较低，齿轮尺 寸过大加工难。 方案三 30的过程：使用槽 实现平面转角0 轮实现平面转角30度，只要计算好槽轮 的槽数，就能在主动圆盘转360度时， 使从动轮转30度。机构评价： 优点：结构简单，外形尺寸小，机械效
率高，并能平稳的间歇地进行转位。 缺点：传动存在柔性冲击，且是单向的间歇运动，同样要求变速箱改变运动方向。 方案的选择与比较： 只有第二个方案能较好的实现对传动系统的功能要求在平面转动上能准确地控制在30度，制造简单方便。 §2-2 上升机构（实现上升100功能要求） 方案一 实现上升的过程：皮带轮传动，使蜗杆带动蜗轮，蜗轮和齿条配合。通过控 制蜗杆的半径，使转动一周后，使齿条上升100. 机构评价： 优点：蜗杆的轮齿是连续的螺旋尺，故传动平 稳，啮合冲击小。 缺点:啮合齿轮间的相对滑动速度较大，摩擦 磨损较大，传动效率较低，易出现发热 现象，常用耐磨材料制作，成本高。 方案二 实现上升的过程：皮带轮传动给蜗轮蜗杆 从而使凸轮转动，凸轮通过顶杆推动滑块滑 动，从而使工作杆上升100mm。 机构评价： 优点：结构简单，传力较小，凸轮不用太大就 可以达到所需要的高度。 缺点：效率过低，滑块容易磨损且一旦磨断严重影响上升高度，寿命不高。
三自由度直角坐标机械手设计 作者姓名汪增帅 专业机械设计制造及其自动化指导教师姓名付秀琢 专业技术职务
目录 摘要 (1) 第一章概述 (2) 机械手概述 (2) 机械手历史和现状 (4) 机械手发展趋势 (6) 第二章总体设计 (8) 机械手组成及各部分关系 (8) 总体方案拟定 (9) 驱动方式的选择 (11) 第三章机械系统设计 (13) 机械手的结构设计 (13) 传动结构的设计 (15) 导轨的设计 (20) 轴承的选择 (21) 电机的选择 (22) 第四章总结 (25) 致谢 (25) 参考文献 (26)
摘要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机械手等。而工业机械手是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度直角坐标型工业机械手，其工作方向为三个直线方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一个地方搬到另一个地方这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。 关键词：三自由度直角坐标工业机械手 ABSTRACT It is starting to change the modern industrial landscape. The design for the industrial robot of three degrees of freedom Cartesian coordinate its work direction for the three linear directions. The role of the controller, which performs the workpiece moved from one place to another place of this simple action, This is the entire design more comprehensive introduction and summary. Keywords：three degrees of freedom； rectangular coordinates； industrial robot
成都航空职业技术学院 汽车工程系 设计说明书 设计题目: 汽车模拟装配线两关节机械手臂 组员姓名：赵治帅张良李杉李廷堃郑宁波 专业班级：机电一体化 10939 指导教师：申爱民 20011 年10 月30日
摘要 本文对模拟汽车装配线的工作原理和运动控制做了阐述，对如何防止故障时撞车和故障报警做出了系统说明，并深入研究了导轨的滑撬式传动和脱钩式等其他传动的优缺点；认真研究了步进电机伺服电机的原理，然后给出了具体的实现方法。现代汽车总装工艺自动化程度越来越高。汽车制造总装机械化生产包括整车装配线、车身输送线、储备线、升降机等。主要分为一次内饰装配线（车身打号、天窗、线束、ABS、顶棚、地毯、气囊帘、车门支撑板、车门玻璃、密封条、仪表盘、水箱等）、底盘线（油管、油箱、隔热板、动力总成、后悬、排气管、挡泥板、轮胎等）、二次内饰线（风窗玻璃、座椅、仪表板后端、电瓶、空滤器、备胎、后备箱备附件、雨刷、介质加注、车门调整、线路管路插接等）、整车完整性检查、整车测试线、路试跑到、调整雨淋线等。 但由于受资源和能力限制，我们的模拟生产线只取其中的一次内饰、底盘、二次内饰，加上上线和下线工位，一共是五个工位且都采用一个工位表示。主要目的是将说学过的机电一体化只是都用到，并实现部分功能。达到训练、学以致用，能力提高的目的。 关键词:汽车装配工艺结构原理
目录 摘要................................................................................................................................. 目录 ............................................................................................................................. 序言................................................................................................................................... 1总体结构方案说明： ....................................................................................................... 1.1 ........................................................................................................................... 1.1.1..................................................................................................................... 1.1. 2..................................................................................................................... 1.2 .............................................................................................................................. 1.3 ........................................................................................................................... 1.3.1..................................................................................................................... 1.3. 2..................................................................................................................... 1.3.3..................................................................................................................... 1.3.4..................................................................................................................... 2．系统主要功能及技术指标、原理图................................................................................
前言 近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。 随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机控制的工业机器人占有相当比例。带有“触觉”，“视觉”等感觉的“智能机器人”正处于研制开发阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。
第1章液压机械手总体方案设计 1.1机械手总体设计方案拟定 机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序，轨迹和要求，实现自动抓取、搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。能够配合主机完成辅助性的工作，随着工业技术的发展，机械手能够独立地按照程序，自动重复操作。 根据课题的要求，机械手需具备上料，翻转和转位等功能，并按照自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。设计可参考以下多种设计方案： 1.1.1 采用直角坐标式，自动线呈直线布置，机械手在空中行走，按照顺 序完成上料、翻转、转位等功能。这种方案结构简单，自由度少， 易于配线，但需要架空行走，油液站不能固定，使得设计复杂程度 增加，运动质量增大。 图1.1.1 直角坐标式布局示意图 1.1.2 机身采用立柱式，机械手侧面行走，按照顺序完成上料、翻转、转 位的功能，自动线仍成直线布置。这种方案可以集中设计液压站， 易于实现电气，油路定点连接，但是占地面积大，手臂悬伸量较大。 图1.1.2 立柱式机械手布局示意图
机械手操作说明书标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
机械手 操 作 说 明 书 一，简介： 本设备主体部包括以下机构: 1, 上下伺服机械臂：三菱伺服；气动抓胎器；横走气缸； 2, 输送线：400W三菱变频器及电机两台；检测用对射光电；定中气缸； 3，主要电气部件品牌及明细表：
二，操作说明： 操作前注意事项： 机械手运行范围内不要有人员站立. 确认抓手用输入气源是否打开且压力达到及以上。 操作说明： ，简要说明： 1，本系统人机操作画面，支持中英文两种语言方式。操作者可以在进入系统后的初始开机画面，选择指定的操作语言。 2，本系统有三种运行方式，分别是： 点动运行方式：指的是上下伺服在微动调试时的一种操作方式。这种方式下屏上的操作功能按键只有在受控时，相应的运动部件才会动作。受控消失，运 动部件即时停止动作。 手动运行方式：所有运动受控部件都支持此功能。此方式时，点一下屏上的功能按键。相应的运动部件会直接完成此手动动作。
自动运行方式：此方式下，机械手会自动控制各运动部件及机构协调运行。 完成相应的机械手使用要求。 ，详细操作说明： 1，操作者在确认各部分没有问题后，合上箱内各电源开关。 2，顺时针扭动“总电源”钥匙开关，打开总控制电源。 3，电源开启后，触摸屏显示初始画面如下所示。 （1）点击画面正下方的语言切换按键，可以在中文及英文间转换。不同的操作语言，将会显示不同的操作画面，如下两图所示。在默认的情况 下，系统开机自动进入英文操作介面。 （2）选择完语言后，点击画面中除语言切换按键外的任意位置，将会进入系统主画面。 初始画面（中文）初始画面（英文） 4，系统主画面：如下图所示。 （1）画面最上一行，分别用于指示当前系统的日期、当前所处的画面、当前系统的时间。
目录 摘要 (1) 引言 (1) 1.机械手总体方案设计 (2) 1.1设计要求 (2) 1.2运动形式的选择 (2) 1.3驱动方式的选择 (4) 1.4总体结构设计 (5) 2.机械手手部设计 (6) 2.1结构分析 (6) 2.2计算分析 (6) 3.PLC控制系统设计 (1) 1 3.1机械手移动工件控制系统的控制要求 (1) 1 3.2机械手移动工件控制系统的PLC选型和资源配置 (1) 3 3.3机械手移动工件控制系统的PLC程序 (1)
4 4.动画制作 (1) 8 4.1建立机械手模型 (1) 8 4.2制作机械手的动画 (1) 8 结束语 (2) 6 致谢 (2) 6 参考文献 (2) 6 附录 (2) 7
摘要 机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统设计和控制系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制系统硬软件的设计，完成了整个系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。 关键词：机械手PLC 动画 引言 随着世界经济和技术的发展，人类活动的不断扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的各个领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随着机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。 工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。 机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，
此文档下载后即可编辑 机械手 操 作 说 明 书 一，简介： 本设备主体部包括以下机构: 1, 上下伺服机械臂：1.5KW三菱伺服；气动抓胎器；横走气缸； 2, 输送线：400W三菱变频器及电机两台；检测用对射光电；定中气缸； 3，主要电气部件品牌及明细表：
2.1 操作前注意事项： 机械手运行范围内不要有人员站立. 确认抓手用输入气源是否打开且压力达到0.5MPa及以上。 2.2 操作说明： 2.2.1，简要说明： 1，本系统人机操作画面，支持中英文两种语言方式。操作者可以在进入系统后的初始开机画面，选择指定的操作语言。 2，本系统有三种运行方式，分别是： 点动运行方式：指的是上下伺服在微动调试时的一种操作方式。 这种方式下屏上的操作功能按键只有在受控时，相应的运动部件才会动作。受控消失，运动部件即时停止动作。 手动运行方式：所有运动受控部件都支持此功能。此方式时，点一下屏上的功能按键。相应的运动部件会直接完成此手动动作。 自动运行方式：此方式下，机械手会自动控制各运动部件及机构
协调运行。完成相应的机械手使用要求。 2.2.2，详细操作说明： 1，操作者在确认各部分没有问题后，合上箱内各电源开关。 2，顺时针扭动“总电源”钥匙开关，打开总控制电源。 3，电源开启后，触摸屏显示初始画面如下所示。 （1）点击画面正下方的语言切换按键，可以在中文及英文间转换。不同的操作语言，将会显示不同的操作画面，如下两图 所示。在默认的情况下，系统开机自动进入英文操作介面。 （2）选择完语言后，点击画面中除语言切换按键外的任意位置，将会进入系统主画面。 初始画面（中文）初始画面（英文） 4，系统主画面：如下图所示。 （1）画面最上一行，分别用于指示当前系统的日期、当前所处的画面、当前系统的时间。 （2）再下行的“操作说明”“手动画面”“参数设定”“报警画 面”的四个按键，用于画面切换功能。按下不同的按键，会 进入相应不同的画面。 （3）“自动运行”“自动停止”按键，用于控制机械手进入或退出自动运行状态。如果机械手归零完成、转换开关自动、机 械手正常的情况下，连续按下“自动运行”按键两秒以上， 机械手会进入自动运行状态。 机械手在自动运行过程中，如果按下“自动停止”按键。机 械手在完成当前自动过程一个完整周期后，会退出自动运行 状态。
机械手设计说明书 篇一：机械手设计说明书 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 (1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)主要设计出机械手的手部机构。 (4)液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
机床上下料机械手设计_说明书(65页) 机床上下料机械手设计说明书第1章绪论1.1 选题背景机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 1.2 设计目的本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自
动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。 1.3 国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下： A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 C．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。 D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规
机械手设计说明书 篇一： 指导老师： 设计合作成员： 一、设计项目名称 机械手臂手指机构2 二、设计目的 本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。 三、设计要求 机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。选取机械手的座标型式和自由度。主要设计出机械手的手部机构。液压传动系统液压缸的选用 四、设计方案 4.1 机械手基本形式的选择 机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。 4.2 机械手的主要部件及运动 本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要
的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。 4.3 驱动方式的选择 本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。 4.4 机械手的技术参数列表 用途：卸码垛机械手臂抓重：5kg 抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件机械手自重：小于等于10kg 4.5 机械工作原理 机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。 图1. 机械手夹工件的工作原理框图 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。 传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述： 1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。
机械与装备工程学院 课程设计说明书（2016/2017学年第 1学期） 课程名称：机械设计课程设计 题目：搬运机械手的设计 专业班级：机械设计制造及其自动化学生： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
第一章绪论 (1) 1.1 机械手的应用现状 (1) 1.2 机械手研究的目的、意义 (1) 1.3 设计时要解决的几个问题 (1) 第二章机械手总体方案的设计 (3) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (3) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (3) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (5) 3.1 坐标形式和自由度选择 (5) 3.2 执行机构 (5) 3.3 驱动系统 (6) 3.4 控制系统 (7) 第四章结构设计及优化 (8) 4.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (8) 4.1.2 确定气缸直径 (9) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (9) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (10) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (10) 4.2手臂结构优化设计 (10) 4.2.1问题描述 (10) 4.2.2设计分析 (10) 4.2.3建立数学模型 (12) 4.2.4优化计算 (13) 4.2.5优化结果分析 (16) 第五章 Adams运动仿真 (17) 总结与展望 (20)
机械手是近几十年发展起来一种高科技自动化生产设备，它对稳定、提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用，随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 本设计中的搬运机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由PLC控制。驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。 本文中对机械手臂运用MATLAB算法进行优化设计，它使得优化过程变得非常简单、容易理解和掌握，从而避免编写各种复杂的运算程序，提高了设计效率。 用 ADAMS 软件建立虚拟样机进行仿真并优化参数，得出了机械手的运动过程的演示动画，发现设计结构能有机地结合在一起，工作平稳，并在指定的速度和负载等参数下得出了所需要的驱动力和结构参数等。虚拟样机代替物理样机对工程机械进行创新设计、测试和评估，可以降低设计成本，缩短开发周期，而且设计质量和效率都可以得到提高。 关键词:机械手，气动，优化设计，仿真
前言 焊接机器手占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。采用焊接机器手可以稳定和提高焊接质量,保证其均一性，改善了工人的劳动条件，提高劳动生产率，产品周期明确，容易控制产品产量，可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。 在焊接机械手的设计过程中引进基于PRO/ENGINEER的CAD/CAE技术可以大大缩短焊接机械手的研发周期、降低机械手的研发成本、提高机械手的可靠性。因此,利用PRO/E 对焊接机械手进行设计、装配、仿真、分析,对于保证焊接机械手的质量,提高生产率,推动焊接机械手功能部件的发展,加快产品的更新换代具有重要意义。 目前，我国的焊接机械手行业无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高[1]。要想在短时间内赶超外国的产品，形成有自主知识产权的焊接机械手产品就必须借助先进的工具，在实际生产中不断完善和提高。 本设计将以PRO/E软件为平台，探讨焊接机械手的计算机辅助设计方法，并利用PRO/E 软件的强大仿真功能对焊接机械手进行运动分析、装配、仿真，以保证焊接机械手结构的准确性与合理性。
1.绪论 1.1 PRO/E的简介 PRO/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 1)真实3D模型 在PRO/E中，设计出的模型是真实的3D模型，弥补了传统面结构、线结构的不足。这些3D实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数，用户还可随时计算出产品的体积、面积、重心重量、惯性大小等，以了解产品的真实性，并可以进一步的组建装配等的运算[2]。我们在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算时间。 2)以特征作为设计的单位 PRO/E的特征方式是基于人性化设计的，初次使用PRO/E的人肯定会对特征感到亲切，PRO/E中正是以最自然的思维方式从事设计工作，如孔、开槽、做成圆角等均被视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计思想之外，还在设计过程中加入实际的制造思想，也正因为以此特征作为设计的单元，因此可以随时对特征做合理的变化。不违反几何原理的顺序调整、插入、删除、重新定义等修正动作. 3)单一数据库 在PRO/E中可随时由3D实体模型产生2D工程图，而且自动标示工程图尺寸。不论在3D 还是在2D图形上做尺寸修改，其相关的2D图形或3D实体模型均自动修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的正确性，并避免反复修正所耗费的时间，由于采用单一数据库库，提供了所谓双相关联性的功能，这种功能也正符合了现代产业中同步工程的思想。 4)参数式设计 配合单一数据，所有设计过程中所使用的尺寸(参数)都在数据库中，修改CAD模型及工程图不再是一件难事，设计者只要更该3D零件的尺寸，则工程图、组合、模具等就会依照尺寸的修改做几何形状的变化，以达到涉及修改工作的一致性，避免发生人为改图的疏露情形，且减少了许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数的设计，用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系，使得模型可自动计算出应有的外型，减少尺寸一个一个修改的繁琐过程，并减少错误的发生。