SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
课程设计说明书
三自由度机械手臂设计
学院：农业工程与食品科学学院
专业：农业机械化及其自动化
学生姓名：赵国0911034036
学生姓名：李继飞0911034030
学生姓名：程小岩0912034039
指导教师：程卫东
2013 年1 月
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。
目录
第1章绪论 (5)
1.1 机器人概述 (5)
第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6)
2.1自由度及关节 (6)
2.2 基座及连杆 (6)
2.2.1 基座 (6)
2.2.2 机械臂 (6)
2.3 机械手的设计 (6)
2.4 驱动方式 (8)
2.5 传动方式 (9)
2.6 制动器 (10)
第3章控制系统硬件 (11)
3.1 控制系统模式的选择 (11)
3.2 控制系统的搭建 (11)
3.2.1 工控机 (12)
3.2.2 数据采集卡 (12)
3.2.3 伺服放大器 (13)
3.2.4 端子板 (14)
3.2.5电位器及其标定 (15)
3.2.6电源 (16)
第4章控制系统软件 (16)
4.1预期的功能 (16)
4.2 实现方法 (16)
4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (16)
4.2.2直流电机的伺服控制 (16)
4.2.3电机的自锁 (16)
4.2.4示教编程及在线修改程序 (17)
第5章总结 (18)
5.1 所完成的工作 (18)
5.2 设计经验 (18)
参考文献 (20)
第1章绪论
1.1 机器人概述
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。
“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。
机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。
简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。
机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。
第2章实验平台介绍及机械手的设计该设计的目的是为了设计一台物料搬运机器人，利用现有已经报废的焊接机器人，
本文的中结构设计主要偏向于对原有机构的改造和机械手的设计。
2.1自由度及关节
该机器人具有三个自由度，即腰关节、肩关节、肘关节，都为转动关节；
还有一个用于夹持物料的机械手。
2.2基座及连杆
2.2.1 基座
基座是整个机器人本体的支撑。为保证机器人运行的稳定性，采用两块“Z”字形实心铸铁作支撑。
基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个引出线出口。
2.2.2 机械臂
大臂长度230mm 小臂长度240mm
2.3机械手的设计
工业机器人的手又称为末端执行器，它使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类：
（1）夹钳式取料手
（2）吸附式取料手
（3）专用操作器及转换器
（4）仿生多指灵巧手
本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。
手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图2.3所示
图2.1 机械手手指形状
传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。图2.4为初步设计的机械手机构简图（只画出了一半，另外一半关于中心线对称）。
图2.2 机械手机构简图
在图2.4中，O为电机输出轴，曲柄OA、连杆AB、滑块B和支架构成曲柄滑块机构；滑块B、连杆BC、摇杆CE和支架构成滑块摇杆机构。通过两个机构串联，使电机最终驱动DE的来回摆动，从而实现手指的开合运动。
图2.4中的黑线和蓝线表示机构运行的两个极限位置。
为便于手指的顺利合拢，可以在两个手指之间设置一个弹簧，这样还可以提供适当的夹紧力。
另外，在选用电机的时候，要使电机的功率足以克服弹簧的收缩和张开，并且提供足够加紧物体的力。
2.4驱动方式
该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。
机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）．驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）．反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；
3）．驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；
4）．安全可靠；
5）．操作和维护方便；
6）．对环境无污染，噪声要小；
7）．经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。
基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。
表2.1机器人驱动电机参数
电机
参数
腰关节肩关节肘关节腕关节手爪
型号
MAXO
N2332
MAXO
N2332
MAXO
N2332
MULTIP
LEX
STELL-
SERVO
MULTIP
LEX
STELL-
SERVO
额定
电压
18v 18v 18v 6v 6v 额定18.218.218.210.310.3
转矩 N·m N·m N·m N·m
N·m
最大转矩 67.4N·m 67.4N·m 67.4N·m 额定转速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rp m
5460rp m
最高转速 转子惯量
9200rpm 18.4gcm ·cm
9200rpm 18.4gcm ·cm
9200rpm 18.4gcm ·cm
2.5传动方式
由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：
（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；
（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；
（4）寿命长、价格低。
本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿形带传动。
齿形带传动是同步带的一种，用来传递平行轴间的运动或将回转运动转换成直线运动，在本文中主要用于腰关节、肩关节和肘关节的传动。
齿形带传动原理如图2.7所示。 齿轮带的传动比计算公式为 2
112z z
n n i ==
齿轮带的平均速度a v 为
2211n t z n t z v a ??=??=
2.6制动器
制动器及其作用：
制动器是将机械运动部分的能量变为热能释放，从而使运动的机械速度降低或者停止的装置，它大致可分为机械制动器和电气制动起两类。
在机器人机构中，学要使用制动器的情况如下：
①特殊情况下的瞬间停止和需要采取安全措施
②停电时，防止运动部分下滑而破坏其他装置。
机械制动器：
机械制动器有螺旋式自动加载制动器、盘式制动器、闸瓦式制动器和电磁制动器等几种。其中最典型的是电磁制动器。
在机器人的驱动系统中常使用伺服电动机，伺服电机本身的特性决定了电磁制动器是不可缺少的部件。从原理上讲，这种制动器就是用弹簧力制动的盘式制动器，只有励磁电流通过线圈时制动器打开，这时制动器不起制动作用，而当电源断开线圈中无励磁电流时，在弹簧力的作用下处于制动状态的常闭方式。因此
这种制动器被称为无励磁动作型电磁制动器。又因为这种制动器常用于安全制动场合，所以也称为安全制动器。
电气制动器
电动机是将电能转换为机械能的装置，反之，他也具有将旋转机械能转换为电能的发电功能。换言之，伺服电机是一种能量转换装置，可将电能转换为机械能，同时也能通过其反过程来达到制动的目的。但对于直流电机、同步电机和感应电机等各种不同类型的电机，必须分别采用适当的制动电路。
本文中，该机器人实验平台未安装机械制动器，因此机器人的肩关节和轴关节在停止转动的时候，会因为重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有机构上添加机械制动器，所以只能通过软件来实现肩关节和轴关节的电气制动。
采用电气制动器，其优点在于：在不增加驱动系统质量的同时又具有制动功能，这是非常理想的情况，而在机器人上安装机械制动器会使质量有所增加，故应尽量避免。缺点在于：这种方法不如机械制动器工作可靠，断电的时候将失去制动作用。
第3章控制系统硬件
3.1 控制系统模式的选择
构建机器人平台的核心是建立机器人的控制系统。首先需要选择和硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和开发工作量有很大的影响。一般常用的控制系统硬件平台应满足：硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件结构具有必要的实时计算能力；硬件系统模块化，便于添加或更改各种接口、传感器和特殊计算机等；低成本。到目前为止，一般机器人控制系统的硬件平台可以大致分为两类：基于VME总线（Versamodel Eurocard由Motorola公司1981年推出的第一代32位工业开放标准总线）的系统和基于PC总线的系统。近年来，随着PC机性能的快速发展，可靠性大为提高，价格却大幅度降低，以PC机为核心的控制系统已广泛被机器人控制领域所接受。
基于PC机控制系统一般包括单PC控制模式，PC+PC的控制模式，PC+分布式控制器的控制模式，PC+DSP运动控制卡的控制模式，PC+数据采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式灵活，成本低廉，有利于本文设计中的废物利用，在程序和算法上可以自主编制各类算法，适合本课题研究的需要。因此本文选定PC+数据采集卡的控制方式。
3.2控制系统的搭建
图3.1 控制系统框图
3.2.1工控机
在此选用研华工业控制机,主频233MHz,内存128兆，32位数据总线。底板有9个ISA插槽，4个PCI插槽，带VGA显示器。其性能价格比优越，兼容性好，有利于软硬件维护和升级。与普通个人计算机相比工业控制PC机有以下优点：·芯片筛选要比一般个人计算机严格；
·芯片驱动能力较强；
·整机内部结构属于工业加强型，具有较强的防震和抗干扰性能；
·对环境（如温度、湿度、灰尘等）的要求要比一般计算机低得多。
3.2.2数据采集卡
在本设计中我们主要用到研华公司的PCL812PG和PCL726，其参数如下。
PCL-812PG
主要特点：
路单端12位模拟量输入
路12位模拟量输出
采样速率可编程，最快达30KHz
带DMA或中断的A/D
路数字量输出
PCL-726
主要特点：
路独立D/A输出
位分辨率双缓冲D/A转换器
路数字量输入及16路数字量输出
多种电压范围：+/-10V，+/-5V，0—+5V，0—+10V和4—20mA电流环。3.2.3伺服放大器
在驱动系统设计过程中，主要是对伺服电机的驱动，本文中利用报废机器人上的maxon电机驱动关节，因此同样选用maxon伺服电机驱动器（maxon motor control4-Q-DC Servo Control LSC 30/2）进行驱动，如图3.2所示，这是专门针对maxon 电机设计的伺服电机放大控制器，具有很强的控制功能和稳定性，电源电压12~30v之间，1、2接线端子接伺服电机，直接给电机供电，3，4接线端与电源相连，7、8接控制电压，通过数据采集卡输出的模拟电压信号进入这两个接线端来控制电机的转速大小和正反转，13、14接测速计（本文中未用），3、4、10之间是一个光耦合器，输入“准备好”信号。在伺服控制器前面，有5个旋钮调节器涌来调节电机的五个参数，下边有10个DIP开关，用来选择控制器工作状态。
12345678910111213141516
电源
控制电压
测速计
12345678910
P 1P 2P 3P 4P 5gain
n max I ×R Offset on off
I max 4k Ω
电机
图3.2伺服放大器接线及其调节示意
3.2.4端子板
不同的被测信号通过不同的传送路线到采集卡，而采集卡在工控机机箱内，不变直接连接到工业系统中的各种传感器或执行器。
端子板的主要作用有两个：
①．端子板是采集卡与每一个信号调理电路或驱动装置之间的电器连接部件，给每一路输入、输出信号提供单独的信号线和地线，使每一路通道可单独接通或断开，系统检修和排除故障时不必全部停止运行。
②．将每一路信号经过各自的传送路线到达端子板后，可以根据各路信号和传送路线的特点，在端子板上对各路信号进行简单的调理，如经电阻衰减、分流或经过RC 低通滤波后进入采集卡。
图3.3所示为端子板电路
图3.3端子板电路
图3.3所示的电路图中，为防止直流电机产生的噪声影响电路的正常运行，使用了光电耦合器4N25。在机电一体化技术中，光电耦合电路是重要的接口电路。
其中PCL-812PG通过五路数字量输出来控制电机电路的通断，PCL-726通过五路模拟量输出来控制电机的正反转和运行速度，另外PCL-812PG还负责采集五个电位器的电压，以此将电机的运行角度反馈给计算机。
3.2.5电位器及其标定
电位器是一种可调电阻，也是电子电路中用途最广泛的元器件之一。它对外有三个引出端，其中两个为固定端，另一个是中心抽头。转动或调节电位器转动轴，其中心抽头与固定端之间的电阻将发生变化。
本文采用的电位器是单圈的，也就是说各关节的运动角度小于360o，对于该机器人已经足够了。电位器安装在机器人的各个关节输出轴上，所以在关节角的运动范围内，电位计的输出电压和关节角是一一对应的，存在着一定的函数关系。
从理论上来讲，电位器应该是线性的测量元件，但由于电位器的滑动噪声以及滑线电阻的工作过程中的磨损，这种函数关系并非理想的线性关系，而是存在一定的偏移。
电位器的标定就是根据在各个角度处测量的电压值，拟合出一条直线，近似替代真实的函数关系。
3.2.6电源
电位器和伺服放大器都需要一定的电压，特别是电位计是在10.0v的条件下工作的，稳定的电压对于保证电位计反馈信号的真实性具有重大的影响；而伺服放大器是在
12v~30v范围内工作的，电压只要在此范围内即可。
本文采用DH1715A-3型双路稳压稳流电源，可以提供0~32v电压输出和0~2A电流输出。
这里设定两路电压输出：14.0v——供给伺服放大器运行，10.0v——保证电位计的正常工作。
第4章控制系统软件
以上完成了机器人的本体设计和控制系统硬件的搭建，下面将通过设计控制软件，使计算机通过数据采集卡有条不紊地向外部发送指挥信号，最终驱动机器人各个关节的运动，使之按照人的意愿“工作”。
4.1预期的功能
（1）. 实时显示各个关节角，并且可以防止各个关节的运动角度超出预定的关节角范围内；
（2）. 实现直流电机的伺服控制；
（3）. 实现电机的自锁；
（4）. 实现示教编程及在线修改程序；
4.2 实现方法
以模块化程序设计思想为指导，以预期要实现的功能作为各个模块，设计控制软件。
从图3.1可以看出，工控机通过数据采集控制。编程的任务其实就是用计算机控制数据采集卡使之发出或获取一系列数字量、模拟量。
研华公司的数据采集卡驱动程序中，附带许多与板卡相关的函数和数据结构以供使用，极大的方便了程序编写。
本文采用了Visual C++作为编程工具。
4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制
在BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()函数中，
设置定时器SetTimer(1, gwScanTime, NULL)，
然后在void CRobotDlg::OnTimer(UINT nIDEvent)函数中，
通过调用bool CRobotDlg::position_now(USHORT ka1_chan)，采样电位器输出电压，通过前面的电位器标定函数，换算出各个关节的角度，并显示出来。
在void CRobotDlg::OnChangeAngle?Edit()函数中（?表示1，2，3，4，5），
将换算出的角度与该关节预设的运动范围作比较，看其是否在此区间内，否则弹出警告对话框，并且自动停止该关节的运动。
4.2.2直流电机的伺服控制
对于大功率的直流电机，一般采用PWM控制来调节运行速度，这样可以提高电路及电机的运行效率，而本文中的电机功率并不是很大，为方便期间，采用了线性控制方法来调速。
以关节1为例，与该模块相关的函数有OnZ1Button(), OnF1Button(), OnT1Button()，它们分别表示用来控制电机的正转、反转和停止，其中电机的运行速度靠输入的电压值调节；另外一个函数OnRun1Button()是用来实现电机的位置伺服控制，在预定的关节角范围内，电机可以运行到任何一输入的位置停止。
4.2.3电机的自锁
前面在2.7节中讲到该机器人关节上未装制动器，所以必须通过软件程序实现关节的自锁，尤其是肩关节和肘关节的自锁。
解决思路：大臂和小臂在电机运转时不会由于重力而掉落，在电机停止的时候却会下落，因为电机一旦停止，就失去了驱动力矩，因此若想让大臂和小臂停止在预定位置，应该在此位置给关节电机施加一个电压，让它担负起大臂或小臂，而不让其由于重力而下落。但是，在不同的位置，重力对大臂或小臂的力矩不同，应提供给电机的电压也不同，如何选取电机的电压呢？
提供给电机的电压小了，不足以抵抗重力的力矩；提供给电机的电压大了，会使电机转动，使大臂或小臂上升；所以，最好能通过程序来自适应选择这个制动电压，方法有多种，下面是本文的设计过程。
在调用在OnT2Button()或OnT3Button()函数时，先给电机一个0电压，使电机
失去驱动力矩，同时调用position_now(USHORT ka1_chan)函数获得此刻的关节位置，然后延时一段时间比如0.1s，再给电机一个小电压，形成一个小的制动力矩，通过采样此刻位置看其是否能使关节制动；如果不能，则使该电压值按照一定的步长线性增加，以增大制动力矩；这通过一个while()循环实现，如果采样位置不再减小，则表示大臂或小臂已停止下落，可跳出循环。
下图为程序流程图：
调用OnT2Button()或OnT3Button()
使电机电压为0，并采样此时位置，将电位器
输出值存放在fV oltage_former中
考虑到大臂或小臂上升时的惯性，
循环采样一直到采样值
fV oltage<=fV oltage_former
循环采样一直到采样值
fV oltage>=fV oltage_former
跳出循环，表示大臂或小臂已经制动在
自所位置了
4.2.4示教编程及在线修改程序
设计方法：当机器人停止在某个位置时，可以记录下在该位置所对应的一组关节角，这一组关节角用一个结构体存储
struct position
float V oltage1;
float V oltage2;
float V oltage3;
float V oltage4;
float V oltage5;
struct position *next;
记录的位置同时显示在列表框中，记录位置不超过1000个。
为了便于对这些位置作修改，本文采用链表来动态存储这些结构体。
当记录结束以后，就可以运行刚才记录的一系列位置了，由于采用链表结构存储程序，所以取用这些程序很方便，只需用一个指针从链表首部开始取程序，逐行运行，至到链表末尾即可。
程序运行的时候，机器人各个关节同时运动，工作效率高；正在运行的那行程序，以高亮状态显示。
另外，对于记录的位置可以做删除、清空等操作。
第5章总结
5.1 所完成的工作
（1）对实验平台的改造
本文利用的是报废的焊接机器人，要改造成送料机器人，不但要对末端执行机构进行重新设计，还要重新布线。
（2）对关节轴电位器进行重新标定
由于标定电压不同，标定曲线和所得的函数关系就不同，本文选用的是10v电压。
（3）设计端子板电路及驱动电路
端子板是计算机、板卡控制信号端与机器人电路端的“桥梁”，承担着信号调理、驱动放大等任务。
（4）控制软件的设计
软件是机器人的“大脑思维”，软件的设计就是将人的意志赋予机器人的“大脑”。
5.2 设计经验
（1）底座设计成长方体不合理
当腰关节在不同的位置时，肩关节运动的下限不同，不便于编程；最好将底座设计成圆柱体，并且下面带有法兰支撑。
（2）最好安装机械制动装置
仅依靠程序来实现制动并不可靠，例如突然掉电，将无法制动。
（3）电机上应安装放电回路
电机相当于一个线圈，在电机启动或者停止瞬间，会产生很高的感应电动势，
很可能会对电路中的元器件造成破坏，所以要加上稳压或者续流元件。
（4）电位器输出电压会在一定范围内会有无规则的波动
由于电位器材料电阻率分布的不均匀以及电刷滑动时接触电阻的无规律变化，会引起所谓的“滑动噪声”。这导致电位器反馈电压并不准确。
（5）关节角的方向及电位器的安装
关节角最好符合关节角坐标系，并且电位器输出电压最好随关节角的增大而增大，这样便于编程。
（1）通过虚拟场景和网络，也可以进一步实现对机器人的远程监测和控制。
（2）还可以尝试在原有实验平台上加上视觉反馈。
（3）控制界面如果用LabView设计，可能会更方便些。
（4）通过进一步完善控制方式和控制结构，可以将控制系统的软件嵌入到嵌入式系统上去。
参考文献
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版社，2004
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
题目: 通用机械臂机构设计
目录 1.绪论 (1) 1.1 选题背景 (1) 1.2 国内外研究现状和趋势 (1) 1.3机械臂的组成 (2) 1.4 设计目的 (3) 1.5研究内容 (4) 2.机械臂的总体设计方案 (4) 2.1 机械臂总体结构的类型 (4) 2.2机械臂主要部件及其运动 (5) 2.3驱动机构选择 (6) 2.4机械臂技术参数 (6) 3.机械臂手部计算 (7) 3.1手部设计基本要求 (7) 3.2典型手部结构 (7) 3.3机械臂手爪的设计计算 (7) 4.腕部的设计计算 (12) 4.1腕部设计基本要求 (12) 4.2腕部结构 (13) 4.3腕部的设计计算 (13) 5.臂部设计以及有关计算 (17) 5.1臂部设计的基本要求 (18) 5.2手臂的典型机构及其选择 (19) 6机座设计 (24) 结论 (24) 参考文献 (25)
1.绪论 1.1 选题背景 机械臂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，它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂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。机械臂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，机械臂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。把机床设备和机械臂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，机械臂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，进行机械臂的研究设计是非常有意义的。 1.2 国内外研究现状和趋势 目前，在国内外各种机器人和机械臂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。
冲压搬运机械手的设计 设计说明书
摘要 本文简要介绍了工业机器人的概念，机械手硬件和软件的组成，即PLC控制的气动机械手的系统工作原理，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点，PLC控制的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，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。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量。利用可编程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图，并绘制了可编程序控制器的控制程序。 关键词：工业机器人机械手气动可编程序控制器（PLC）
Structural Design of Multi-purpose Pneumatic Robot Abstract At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic.The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.The paper designs the system of air pressure drive and draws the work principle chart, the manipulator uses PLC to control. The paper institutes two control schemes of PLC according to the work flow of the manipulator. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. What’s more, the paper workout the control program of the PLC. KEY WORDS:industrial robot manipulator pump air pressure drive PLC
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................................................................................
毕业设计（说明书） 题目电机壳体搬运机械手 专业机械设计制造及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 论文字数 完成日期2010年5月
机械设计制造及其自动化 摘要：随着科学技术的发展和自动化生产线在企业产品生产中的广泛应用，机械手作为自动化生产线的重要组成部分也得到了长足的发展和进步。尤其是随着机械结构的优化，气动、液压技术的成熟，控制元件的发展和控制方式的不断改进和创新，机械手的动作精确性、控制灵活性和工作可靠性得到了明显的改善。机械手的出现在减轻工人劳动强度和难度、提高工作效率和质量、降低生产成本上做出了突出贡献，机械手的发展在企业的发展和创收上起到了举足轻重的作用。本课题是一个机、电结合较为紧密的实用性项目，文中对PLC的应用、机械结构的设计、控制方法的选择等方面进行了必要的探讨。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键字：机械手，液压驱动，PLC（可编程控制器）
Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator. Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)
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 学生姓名： 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 0 1.1 机械手的应用现状 0 1.2 机械手研究的目的、意义 0 1.3 设计时要解决的几个问题 0 第二章机械手总体方案的设计 (2) 2.1 机械手的系统工作原理及组成 (2) 2.2 机械手的基本结构及工作流程 (2) 第三章机械手的方案设计及其主要参数 (4) 3.1 坐标形式和自由度选择 (4) 3.2 执行机构 (4) 3.3 驱动系统 (5) 3.4 控制系统 (6) 第四章结构设计及优化 (7) 4.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.1手部夹紧气缸的设计 (7) 4.1.2 确定气缸直径 (8) 4.1.3 气缸作用力的计算及校核 (8) 4.1.4 缸筒壁厚的设计 (8) 4.1.5 气缸的基本组成部分及工作原理 (9) 4.2手臂结构优化设计 (9) 4.2.1问题描述 (9) 4.2.2设计分析 (9) （1）抗拉强度条件 (10) （2）抗剪强度条件 (10) （3）刚度条件 (11) （4）结构尺寸限制 (11) 4.2.3建立数学模型 (11) 4.2.4优化计算 (12) 4.2.5优化结果分析 (14) 第五章 Adams运动仿真 (15) 总结与展望 (18)
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
第一章引言 1.1 液压机械手概述 液压传动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。其主要特点是:介质源极为方便，输出力小，液压动作迅速，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。 液压技术有以下优点: （1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击； （2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现无极调速； （3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换； （4）液压泵和液压马达之间用油管连接，在空间布置上彼此不受严格限制； （5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长；（6）操纵控制简便，自动化程度高； （7）容易实现过载保护。 1.2 液压机械手的设计要求 1.2.2 课题的设计要求 本课题将要完成的主要任务如下: (1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广。 (2)选取机械手的座标型式和自由度。 (3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。 (4)液压传动系统的设计 本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液压元器件的选取，液压回路的设计，并绘出液压原理图。 (5)机械手的控制系统的设计 本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根
目录 1 绪论 (1) 1.1前言 (1) 1.2课题的来源与背景 (1) 1.3研究的目的和意义 (2) 1.4林业集材机的概述 (3) 1.5国内外研究现状及发展趋势 (3) 1.5.1 国内发展动态及研究现状 (3) 1.5.2 国外发展动态及研究现状 (4) 1.6论文主要研究内容 (5) 2 机械臂设计理论 (7) 2.1机械臂的组成及分类 (7) 2.1.1 机械臂的组成 (7) 2.1.2 机械臂的分类 (7) 2.2机械臂的自由度及坐标形式 (8) 2.2.1 机械臂的自由度 (8) 2.2.2 机械臂的坐标形式 (8) 3 集材机机械臂的总体设计 (10) 3.1机械臂的设计参数 (10) 3.2机械臂的结构形式 (10) 3.3机械臂典型部件特点 (10) 3.4机械臂的工作范围 (11) 4 集材机工作装置的受力分析 (13) 4.1集材机机械臂的工况分析 (13) 4.2集材机机械臂的受力分析 (13) 4.2.1 空载时各级臂架所受的弯矩 (13) 4.2.2 抓举活立木时各级臂架所受弯矩 (14) 4.3机械臂连接处的受力分析 (15) 4.3.1 主臂铰接处分析 (15) 4.3.2 副臂铰接处分析 (15) 5 基于SOLIDWORKS集材机机械臂的造型 (17) 5.1参数化设计与S OLID W ORKS软件 (17) 5.1.1 参数化设计 (17)
5.1.2 SolidWorks软件介绍 (17) 5.2集材机机械臂零部件造型 (18) 5.2.1 旋转基座的造型 (18) 5.2.2 其它零部件的造型 (21) 5.3集材机机械臂的虚拟装配 (22) 6 集材机机械臂的有限元分析 (24) 6.1S OLID W ORKS有限元分析模块及理论基础 (24) 6.1.1 有限元法理论基础 (24) 6.1.2 SolidWorks的Simulation模块 (24) 6.2机械臂零部件的有限元分析 (25) 6.2.1 有限元分析过程 (25) 6.2.2 主臂的有限元分析结果 (26) 6.2.3 副臂的有限元分析结果 (28) 6.2.4 主臂结构优化 (29) 6.2.5 副臂结构优化 (31) 结论 (34) 致谢 (35) 参考文献 (36)
河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品 设计说明书 作品名称：多功能机械手 专业：机电一体化技术 班级：机电124班 扣号： 姓名：流星 2014 年 10 月 1 日
目录 一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景 随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一
步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。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，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手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机械行业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具有重要意义。 在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。 这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势
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姓名： 学号： 130200216 指导教师： 设计周数： 2周 设计成绩： 2016年 12月 31日
目录 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)
摘要 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
第一章（ 第二章绪论 课题研究的目的及意义 随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。 工业机械手是工业物流自动化中上网重要装置之一，是当今世界新技术革命的一个重要标志。工业机械手是典型的机电一体化产品。 工业机械手的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科技发展的新技术产品。工业机械手已经在工业生产、资源开发、社会服务、排险救灾以及军事技术等方面发挥着愈来愈大的应用。 工业机械手的应用和推广已经并将获得极大的效益。例如在机械制造工业、汽车工业等生产中采用电焊、弧焊、喷漆等机械手，可以大大提高劳动生产率，保证产品质量，改善劳动条件。又如在微电子、医药等生产部门，采用机械手操作，可以消除人对产品的污染、确保产品质量。 机械手可以在有毒、噪音、高温、易燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定的工作，从根本上解决了操作者的安全保障问题。因而在这方面应用和推广机器人技术是十分迫切和必要的。 近代工业机械手的原型可以从本世纪40代算起。当时适应核技术的发展需要开发了处理放射性材料的主从机械手。50年代初美国提出了“通用重复操作机器人”的方案，59年研制出第一工业机械手原型。由于历史条件和技术水平关系，在60年代机械手发展较慢。进入70年代后，焊接、喷漆机械手相继在工业中应用和推广。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展、机械手技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人所应用的机械手。如美国Unimation公司PUMA系列工业机器人相关的机械手，即使由直流伺服驱动、关节式结构、多cpu微机控制、采用专用语言编程的技术先进的机械手。到了80、90年代机器人及相关的机械手开始在工业上普及应用。据统计1980年全世界约有两万台机器人在工业上应用，而到今年增长更快。今年已近开发出
气动机械手－设计说明书
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一、设计要求 为卸码垛机械手臂配制造附件,即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。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。设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10ｋg以内,手指的动力驱动方式自选。 二、具体设计方案 本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型,通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。 首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动,而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够,而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高,故在此不作进一步研究。 根据实验室的机械手模型,我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪,接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。 2．1机械手手爪伸缩运动的设计 通过查阅相关资料,对于夹持型手爪进行受力分析如图所示,两个手指总夹持力2μＦ必须大于夹持工件的重力ｍg 故应满足2μF>mg，即F>mg/２μ 式中μ为摩擦系数,本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令μ=0.65； 另外已知m为5kg； 由此可得 F>ｍg／2μ=5×9．8/(2×0.６5)＝38N
机械手的结构图如下： 此部分为机械手的夹持部分,由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松,而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得: Ｄ=(4F／(πPη)）? 其中η为负载率,一般取0．4。代入相关数据可得：D=0．017m 又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即 ｓ=π*（R2-r2)=π*D2/4 (其中Ｒ为腔体外半径，r为轴半径) 只要圆环面积s大于π*D2/4即可,现取Ｄ=0.02m=20mｍ r=10mm R＝20mm 则s的面积足够大,能提供足够的推力来满足运动。 之后根据所夹持件尺寸的要求是9０至11０mm,则按照90mm来计算(最小的工件尺寸），若能夹到的话,则110ｍm的也一定能夹到,然后通过一系列的尺寸推导运算(该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。
（一）、基本情况介绍 机械手结构、动作与控制要求 机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并右电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统。 机械手的结构如图8-13所示，主要由手指1、手腕2、小臂3、和大臂5等几部分组成。料架6为旋转式，由料盘和棘轮机构组成。每转动一定角度（由工件数决定）以保证待加工零件4对准机械手。 机械手各动作与相应电磁阀动作关系如表8-4所示。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等料架转过一定角后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 图8-13 机械手的外形及其与料架的配置 1-手部 2-手腕 3-小臂 4-工件 5-大臂 6料架 (二)、拖动情况介绍 具体动作顺序是： 原始位置（装好工件等待加工位置，其状态是大手臂竖立，小手臂伸出并处于水平位置，手腕很横移向右，手指松开）——手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——松卡盘——手腕左移（从卡盘上卸下已加工好的工件）——小手臂上摆——大手臂下摆——手指松开（工件放回料架）——小手臂收缩——料架转位——小手臂伸出——手指夹紧（抓住未加工零件）——大手臂上摆（取送零件）——小手臂下摆——手腕右移（将工件装到机床的主轴卡盘中）——卡盘收紧——手指松开，等待加工。
（三）、设计要求 1）加工中上料、下料各动作采用自动循环。 2）各动作之间应有一定的延（由时间继电器调定）。 3）机械手各部分应能单独动作，以便于调整及维修。 4）油泵电机（采用）及各电磁阀运行状态应有指示。 5）应有必要的电气保护与联锁环节。 二、设计过程 （一）、总体方案选择说明 机械手的分类 工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 1按用途分 机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 专用机械手 它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机械手。 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。 通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 2按驱动方式分 液压传动机械手 是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 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:介质来源极为方便，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。