目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章前言 1
1.1 机器人概述1
1.2 选题背景与意义3
1.2.1 选题背景3
1.2.2 选题的意义4
1.3 喷涂机械手简介4
1.4 本文内容安排4
1.5 本章小结5
第2章喷涂机器手的总体设计6
2.1 设计要求6
2.2 机械手方案设计6
2.2.1 结构设计6
2.2.2 机械手动力设计8
2.3 机械手整体移动方案8
2.4 本章小结9
第3章喷涂机械手的详细结构10
3.1 机械手手臂结构设计10
3.2 机械手末端执行机构的设计11
3.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计13
3.4 本章小结14
第4章动力进给系统设计16
4.1 传动系统设计16
4.2 滚珠丝杠的选择16
4.2.1 滚珠丝杠精度16
4.2.2 滚珠丝杠选择16
4.3 丝杠支撑的选择18
4.4 电机的选择19
4.5 本章小结22
第5章关键部件的校核24
5.1 丝杠的校核验算24
5.2大小臂静力载荷计算25
5.3本章小结26
结论 28
参考文献29
致谢 31
1 前言
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。
要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1所示。
图1-1 机器人的一般组成
对于现代智能机器人而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。
图1-2 机器人各组成部分之间的关系
机器人的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机器人分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。
1.2 选题背景与意义
1.2.1 选题背景
机器人技术是由多学科形成的高新技术，在现代的研究非常活跃，
应用十分广泛。它的研究和发展水平是一个公家工业化水平的重要标志。 喷涂机械手是可进行自动喷漆或喷涂其它涂料的工业机器人。中国研制出集中型号的喷漆机械手并投入使用，取得了良好的经济效果。喷涂机械手主要由机械手本体和控制系统组成，多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大运动空间，并可作复杂的轨迹运动，其腕部一般有2-3个自由度，可灵活运动。较先进的喷涂机械手腕部采用柔性手腕，既可以像各个方向弯曲，又可以转动，其动作类似于人的手腕。喷涂机械手的运动方式可以有液压传动，气动和电动等。液压喷涂机械手的结构多为6轴多关节式，工作空间大，手臂采用油缸驱动，手部采用柔性手腕结构。传动装置重量轻，结构紧凑，惯性小，传递运动均衡平稳，负载变化时较稳定。电动喷涂机械手一般有6个轴，工作空间大，结构简单，惯性小，轨迹精度高。气压传动以空气为介质，来源方便，且用后可直接排入大气而不污染环境。气动元件结构简单，制造容易，对工作环境适应性好，成本低，过载能自动保护。 喷涂机械手在国外是一项比较成熟的技术，已经有四十多年的发展和历史，很早运用该技术的德国的hata公司，美国的fudge公司等。随着机器人技术的不断提高，喷涂机械手的喷涂精度也越来越高。著名的外国喷涂机器人生产厂家有瑞典的ABB公司，日本的安川和德国的KUKA公司，其中ABB公司是目前世界领先的全球喷涂机械手供应商，在喷涂技术领域具有丰富的技术和经验，因此ABB喷涂机械手在全世界被广泛应用。
1.2.2 选题的意义
在解国内外机械手方面的发展趋势的基础上，以典型机械手为模型，为方便清洁高层建筑的玻璃和墙壁，提高工作效率，节省大量劳动力和财力，减轻劳动强度，保证劳动者人身安全，尽可能在有限时间内对更大面积的墙壁和玻璃进行有效清洁。另外，通过对当前典型机械手的改进和学习，可以促进笔者对机械手设计的认识，增加机械手设计方面的知识。
1.3 喷涂机械手简介
传统机器人的机械结构使用串联机构实现,称为串联机器人.串联机构具有结构简单,控制简便,工作空间大等优点。串联式机器人在机械加工行业特别是全动轿车装配生产线上大量采用 ,其技术已经非常成熟。
将其扩展到高空喷涂作业，主要是根据喷涂作业的工作特点和工艺需求，对其终端的串联式机械结构进行改变，按照喷涂用喷头，形成高空作业喷涂机器人。
本文所设计的机械手是一套不需要人工操作的通用机器人，可以根据任务的需要编制程序，以完成高空中的喷涂作业。鉴于串联机器人的结构简单，控制简单等优点，决定选取串联机器人结构。由于设计者技术知识有限，对其控制方式采用开环式，没有识别能力，所以其很大的缺点在于精度低。
1.4 本文内容安排
第1章“绪论”，主要介绍机器人的概念以及当前设计涂料机器手的背景和意义。
第2章“涂料机械手的总体设计”，这章主要介绍机械手的总体结构和运动方案。
第3章“涂料机械手的详细设计”，包括手臂和末端执行器的结构设计以及丝杠的安装设计。
第4章“动力进给系统设计”，主要对传动系统进行设计，采用步进电机带动滚珠丝杠进给的开环控制方式。
第5章“关键部件的校核”，这部分则是对机械手的一些关键部件进行校核，包括丝杠和大小臂。
1.5 本章小结
本章主要介绍了机器人的概况，以及进行本课题设计的背景和意义，通过了解学习当前先进技术理论，在已有技术和方案的基础上更好的完成对喷涂机器手的设计。本章还介绍了所设计机器手在现有串联机器人的基础上所做的改进。
2 喷涂机器手的总体设计
2.1 设计要求
设计一种简洁的喷涂机械手，实现对壁面的涂料喷吐。机械手在喷
吐过程中喷枪应能实现上下左右的移动，以完成对整个壁面的喷涂。作业时，喷枪保持与壁面的适当的距离，约200 mm，喷嘴的喷射压力约6MPa，喷速为6m/s。；在某一定点处，喷射的范围尽量大，整个机械手的重量尽量轻。
2.2 机械手方案设计
对于上述的设计要求，现有的串联机器人都能满足，并且串联机器人具有结构简单，控制简便，工作空间大等优点，所以对于喷涂机械手的设计，本文决定以当前典型的串联机器人为模板进行设计。
2.2.1 结构设计
喷涂对象为高空中的玻璃，所以机器手只需要四个自由度既可以完成作业任务。在查阅了相关资料，经过老师指导后，对于喷涂机器手的结构，笔者起草了以下两个方案。
方案一：
图2.1 方案一
方案二：
图2.2 方案二
方案一为倒挂式，大小臂的运动都是来复摆动，通过控制大小臂的摆动进而控制喷头（安装在小臂顶端）的高度方向以及垂直于玻璃方向上的运动，通过控制喷头的旋转来实现垂直于玻璃方向的旋转。这种结构的特点是结构紧凑，设计简单，但是传动行程大。
方案二采用的是腰部的回转运动，以及导轨和滚珠丝杠做直线运动，这样也可以实现喷涂作业的完成。这种结构的特点是控制简单，扩大工作空间较为方便，只是结构主要分布在横向，重心较高，平衡性不易控制。
经过综合对比上述两个备选方案，本文决定旋转方案一作为设计方案。所控制的四个自由度为：大小臂三个节点上三个自由度，喷嘴的旋转自由度。
2.2.2 机械手动力设计
机械手的结构设计选定以后就可以对其动力及运动进行设计。目前所流行的动力驱动方式是采用液压或者气压驱动，液气压驱动的技术已经比较成熟，且市场上也有不同的液气压件出售，但是这种驱动方式的位置控制不甚精确，所以在考虑设计动力驱动时，本文决定电动驱动系统。
电动驱动系统又分为闭环控制和开环控制，其中闭环控制定位精确，误差较小，但是考虑到技术条件限制，本文采用的控制系统为开环控制系统，所使用的电机为步进电机（本文中所涉及的步进电机均选择森创系列86BYG350AH-0201，步距角为0.6/1.2°，相电流为2A，保持转矩2.5N.m），传动方式为步进电机带动滚珠丝杠转动，将旋转运动转变为大小臂的进给运动。
2.3 机械手整体移动方案
机械手整体上升和下降的控制方式有：真空吸附爬墙式升降，通过升降台控制机械手升降，通过爬绳机构带动机械手升降。由于真空吸附爬墙式升降移动缓慢，由于本身结构限制，吸附方式的负荷能力特别下，而且需要专用的真空设备，安全保障能力差，所以不在考虑范围；对于升降台控制机械手，由于是高空清洗，升降台式也不方便。所以通
过比对，采用爬绳机构来实现比较合适，爬绳机构采用两侧对称式布置。机械手固定在移动小车上，通过爬绳机构来调整机械手的喷涂高度。移动小车水平移动调节机械手的水平喷涂位置。其结构如图2.3所示：
图2.3 机械手及爬升机构
2.4 本章小结
本章主要介绍了喷涂机械手的总体设计，分别机械手结构、动力方案、机械手整体移动方案进行设计。对于机械手结构，本文采用的是大小臂串联来回往复摆动的结构，这个方案结构紧凑，设计简单；而动力方案采用的是步进电机带动丝杠旋转进而产生大小臂的摆动进给的开环控制；考虑到经济型和可行性，机械手整体移动方案采用的是爬绳机构，这种机构具有可靠、经济等特点，但是定位不精确，不过这对于实际的作业影响不大。
3 机械手的详细结构
3.1 机械手手臂结构设计
工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有很大的关系，因此手臂尺寸设计要合理。为了提高机械手的运动速度和控制精度，应保证手臂有足够的强度和刚度，尽可能减少手臂重量。
本文中初定大臂型号
，两根各
；小臂型号
，两根各0.8m。大小臂布局图如图3.1，操作大小臂驱动机构都设计
成曲柄滑块机构。
图3.1 结构图
在如图3.1所示的2处的丝杠与电机相连，3处的丝杠与丝杠螺母副相配合，当电机转动时，滚珠丝杠通过套筒式离合器与电机一起转动，此时由于丝杠螺母副固定在底座上，所以丝杠就会带动电机以及大臂相对于底座进给，即完成大臂绕节点1的旋转。
同样，在5处的丝杠与电机通过套筒式离合器相连，而4处的丝杠与丝杠螺母副相配合，电机转动带动丝杠一起转动，进而丝杠将转动转变为丝杠方向的进给运动，使小臂绕节点2旋转。
这样2处和5处的电机就提供了完成喷头的上下运动，以及垂直于玻璃方向运动的动力。作业时，喷枪保持与壁面的适当的距离，约200 mm。
其cad图如下：
图3.2 手臂CAD图
3.2 机械手末端执行机构的设计
机器人末端执行器是安装在机器人手腕上用于进行某种操作或作业的附加装置。机器人末端执行器的种类有很多，以适应机器人的不同作业及操作要求。在设计末端执行器时，应注意如下几点：
1）机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现就可以增加一种机器人新的应用场所。
因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人
末端执行器将不断的扩大机器人的应用领域。
2）机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和不应超过机器人允许的负荷力。因此，要求机器人的末端
执行器重量轻结构紧凑。
3）机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能的末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人手的万
能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还
是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。
4）通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能的概念，而通用性是指功能有限的末端执行器，可适用于不同的机器
人，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），
使末端执行器实行标准化和积木化。
本设计的末端执行模块（末端执行器）是对高空玻璃直接进行喷涂或洗刷，主要由水（药）箱、喷头组成，考虑到末端执行模块结构简单质量小的原则，设计方案中将水（药）箱脱离末端执行模块，而只是通过使用软管将水（药）送到喷头。另外，为了使喷头喷施更加均匀，设计中将喷头安装在电机上，使喷头在电机的带动下左右摆动，同时这样也可以扩大喷施的范围。所以机械手的末端执
图3.3 末端执行模块
行模块如图3.3所示。
另外，喷头的技术参数如下：
直径：5mm
压力：7Mpa(70kg/cm)
喷速：8m/s
流量：9.4L/Min
静压力：F=138N（如图3.4）
图3.4 喷头受力图
3.3 丝杠螺母副及步进电机处结构设计
由上文叙述可以知道，丝杠将旋转运动转化为沿丝杠方向的进给是整个运动中最为重要的部分，而这部分的运动离不开丝杠螺母副及步进电机处的结构设计。首先都有丝杠绕吊耳的摆动，其次又有丝杠沿其方向上的进给运动以及随电机的转动。所以在
在步进电机处，首先有丝杠随同电机绕吊耳的摆动，同时又要限制电机的旋转运动以及沿丝杠方向的移动；而在丝杠螺母副处，也有丝杠绕吊耳的摆动，同时不能限制丝杠的转动，却要限制丝杠沿丝杠方向的进给—这样的结果是随着丝杠的转动，丝杠螺母副随之沿丝杠方向进给。
步进电机及丝杠螺母副处的机构如图3.5所示：
图3.5吊耳处结构图
在图3.5中，一个两侧焊接有对称转轴的专用套筒与丝杠螺纹副配合，使用螺钉拧紧，使之与丝杠螺纹副一起运动；同时两侧对称的转轴通过一对深沟球轴承插入两侧的吊耳中。这样，这个结构就可以完成丝杠绕吊耳的摆动，以及吊耳随丝杆螺纹副的丝杠方向进给。
3.4 本章小结
本章主要对机械手的详细和典型结构进行设计和论述，分别对手臂的布局及结构、末端执行机构的结构、以及吊耳处的结构进行论述，使这些重要的结构能够支持机械手的运动。首先，手臂采用的是串联式连接，手臂的进给动力是通过步进电机带动丝杠运动实现；其次，末端执行机构主要是指完成喷施作业的喷涂设备，要求设计这些设备时要依据
重量轻等原则；最后是对丝杠螺母副和步进电机处（即吊耳处）的结构进行了单独设计，因为这些节点是丝杠旋转运动转化为丝杠方向进给运动的关键。
4动力进给系统设计
4.1 传动系统设计
根据本课题中的设计要求和实际定位精度需求，可以设定传动系统为开环式系统。
根据相关资料，可以选择步进电机的步距角系列为0.6/1.2°，步进电
机通过离合器与丝杠直接相连，即传动比i=1。则步进电机获得一个脉冲所带动的丝杠方向进给量为进给量为（采集跨度有限制，P为丝杠导程，α为步进角°，这里α=0.6°）
即
则脉冲当量=P/600，即步进电机获得一个脉冲，大小臂在吊耳处就有沿丝杠方向上的P/600mm的进给量。
4.2 滚珠丝杠的选择
4.2.1 滚珠丝杠精度
鉴于系统没有要求定位精度，所以对于滚珠丝杠的精度选择一般等级即可，查滚珠丝杠样本选择三级精度丝杠，任意300mm导程允差为0.1mm。
4.2.2 滚珠丝杠选择
滚珠丝杠的名义直径、滚珠的列数和工作圈数应按照当量动载荷Cm 进行选择，具体选择步骤如下所示：
（1）计算丝杠副的等效载荷
鉴于本设计中有两个丝杠副，在此以小臂上丝杠副为样板计算，下同。
首先丝杠副上的载荷大多是来自于进给力，摩擦力和喷头所受反向力，而进给力又受设备的重量影响而不同。下面是设计中一些设备的重量估算：
电机：8 Kg
喷头等喷施设备：5 Kg
轮子：0.3 Kg
小臂等结构：2 Kg
另外喷嘴处受到水压反向力为138N。总的受力如图4.1：
图4.1 小臂受力图
图中，
，（重力加速度g=10
,下同）
根据力矩平衡原理得：
求得F3=182N。
查阅样本资料得到导轨表面贴聚四氟乙烯软带时的摩擦系数为0.04，所以丝杠所受到的摩擦力为：
进给力为：
由上可知，摩擦力很小，可以忽略不计，所以丝杆副上的等效载荷F为：
（2）计算丝杠副的等效转速
丝杠的进给速度设定在0.5m/s-3m/s范围内，根据丝杠转速与进给的关系公式：
其中P为导程，大概为6-20mm
所以转速
取值范围为1000r/min~2000r/min，则平均转速为
，即为等效转速。
（3）计算丝杠副的预期当量动载荷
丝杠使用寿命取12 000h，查《机械设计师手册》[3]（以下简称《手册》）表16-40～表16-41取载荷性质系数fw=1.0、精度系数fa=1.0、可靠性系数fc=0.53（可靠性为96%）。计算丝杠的当量动载荷（由于等效转
速n=1000r/min＞10r/min）
（4）确定滚珠丝杠副尺寸规格
查滚珠丝杠样本（THK直线运动系列），选择BSA5012—10型标准滚珠丝杠螺杆和BSA5012—10型端法兰单螺帽。名义直径32mm，导程
6mm，螺母有2列滚珠。额定动载荷Ca=14500N，Cm＜Ca，符合设计要求。轴向刚度为Kc=550N/μm，预紧力Fp=600N。本系统中Fmax=91N，
远小于3Fp，故不必对预紧力提出额外的要求。
4.3 丝杠支撑的选择
本传动系统的丝杠采用两端均为固定支承的结构形式。查阅NSK轴承生产公司的轴承样本，固定端一对60°接触的30TAC62BDEFC10PN7A角接触球轴承背对背或面对面组配。
系统中角接触球轴承的基本参数如下：预定使用寿命为Lh?=15000h，轴转速为n=3000r/min，轴向力Fa=76N，径向力Fr=3000N，查阅样本得7603030TVP角接触球轴承Cr=54800N，C0r=538000N，e=1.2，静载荷安全系数S0=1.2。
计算轴承组的基本额定动载荷和基本额定静载荷
N
N
（1）寿命计算
由于
，查阅手册取双列轴承X=1，Y=0，则当量动载荷为：
轴承组寿命
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
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
江苏城市职业学院五年制（高职） 毕业设计论文 设计课题：焊接机械手设计 学校：江苏城市职业学院（常熟办学点） 年级：2009级 专业：机电一体化 姓名：曹胜 学号：0921010113 指导老师：杜建峰 职称：讲师 2013年12月
摘要 本次设计是焊接机械手设计，在设计过程中，要求我们运用机电的知识完成，其设计的内容主要包括，机械手中大臂的设计，电气系统设计等内容。 此次设计的焊接机械手实际是五自由度的关节机器人。采用步进电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，不仅用于弧焊作业，还可用于搬运和装配作业。 弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取5-50mm/s，轨迹精度约为±（0.2-0.5）mm。 电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即PLC系统进行控制，PLC控制系统有西门子系统，欧姆龙系统等。 关键词：焊接机械手 PLC
目录 前言 (1) 第一章焊接机械手的总体方案设计 (2) 1.1 焊接机器人的主要组成 (2) 1.2 焊接机器人大臂的设计 (3) 1.2.1 大臂的工作方式 (3) 1.2.2 大臂电动机的选择 (3) 1.2.3 大臂上谐波齿轮传动的设计 (4) 1.3 焊接机器人末端执行器的设计 (6) 第二章PLC系统设计 (9) 2.1电气设备概述 (9) 2.1.1电气控制的变压系统部分设计 (9) 2.1.2电气控制的部分设计 (9) 2.2 PLC的应用 (11) 2.2.1 梯形图的设计 (11) 2.2.2 用功能表图表示控制过程 (13) 2.2.3 I/O分配表与配线图 (14) 2.2.4 写出梯形图 (16) 小结 (19) 致谢 (20) 参考文献 (21)
1 绪论 1.1工业机械手的概述 工业机器手是一种可以搬运物料、零件、工具或完成多种操作功能的专用机械装置；由计算机控制，是无人参与的自主自动化控制系统；他是可编程、具有柔性的自动化系统，可以允许进行人机联系。可以通俗的理解为“机器人是技术系统的一种类别，它能以其动作复现人的动作和职能；它与传统的自动机的区别在于有更大的万能性和多目的用途，可以反复调整以执行不同的功能。” 工业机械手是人类创造的一种机器,更是人类创造的一项伟大奇迹,其研究、开发和设计是从二十世纪中叶开始的.我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，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距离。如：可靠性低于国外产品，机械手应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。影响我国机械手发展的关键平台因素就是其软件，硬件和机械结构。目前工业机械手仍大量应用在制造业，其中汽车工业占第一位（占28.9%），电器制造业第二位（占16.4%），化工第三位（占11.7%）。发达国家汽车行业机械手应用占总保有量百分比为23.4%～53%，年产每万辆汽车所拥有的机械手数为（包括整车和零部件）：日本88.0台，德国64.0台，法国32.2台，英国26.9台，美国33.8台，意大利48.0台。 世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。 上料机械手与卸料机械手相比，其中上料机械手中的移动式搬运上料机械手适用于各种棒料，工件的自动搬运及上下料工作。例如铝型材挤压成型铝棒料的搬运及高温材料的自动上料作业，最大抓取棒料直径达180mm，最大抓握重量可达30公斤，最大行走距离为1200mm。根据作业要求及载荷情况，机械手各关节运动速度可调。移动式搬运上料机械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回转机构，小车行走机构，液压泵站电器控制系统组成，同时具有高温棒料启动疏料装置及用于安全防护用的光电保护系统。整个机械手及液压系统均集中设置在行走小车上，结构紧凑。电气控制系统采用OMRON可编程控制器，各种作业的实现可以通过编程实现。 国内外实际使用的多是定位控制的机械手，没有“视觉”和“触觉”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触觉”的工业机械手，使它能够对所抓取的工件进行分辨，能选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确地在机器上定位、定向。 为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零部件，它由视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓取的工
目录 中文摘要 I Abstract ....................................................................................................................... II 1 绪论 (1) 1.1前言 (1) 1.2 工业机械手的简史 (1) 1.3工业机械手在生产中的应用 (3) 1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 (3) 1.3.2 在实现单机自动化方面 (3) 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 (4) 1.4 机械手的组成 (4) 1.4.1 执行机构 (4) 1.4.2 驱动机构 (5) 1.4.3 控制系统分类 (5) 1.5工业机械手的发展趋势 (5) 1.6 本文主要研究内容 (6) 1.7 本章小结 (6) 2 机械手的总体设计方案 (7) 2.1 机械手基本形式的选择 (7) 2.2机械手的主要部件及运动 (7) 2.3驱动机构的选择 (8) 2.4 机械手的技术参数列表 (8) 2.5 本章小结 (8) 3 机械手手部的设计计算 (10) 3.1 手部设计基本要求 (10) 3.2 典型的手部结构 (10) 3.3机械手手抓的设计计算 (10) 3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 (10) 3.3.2 手抓的力学分析 (11) 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算 (12) 3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13) 3.5 本章小结 (16) 4 臂部的结构及有关计算 (17) 4.1 概述 (17) 4.2 手部直线运动机构 (17)
一、总体方案设计 1.1设计任务 基本要求: 设计一个多自由度机械手（至少要有三个自由度）将最大重量为40Kg的工件，由车间的一条流水线搬到别一条线上； 二条流水线的距离为：1000mm； 工作节拍为：70s； 工件：最大直径为160mm 的棒料； 1.2总体方案确定 1.2.1自由度 自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。 机械手的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着机械手整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用机械手有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用机械手有1～2个自由度即可满足使用要求。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一动作。在满足前提条件上尽量使结构简单，所以我们这次选择5自由度机械手。 1.2.2机械手基本形式的选择 常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手：
特点：操作机的手臂具有三个移动关节，其关节轴线按直角坐标配置。 优缺点：结构刚度较好，控制系统的设计最为简单，但其占空间较大，且运动轨迹单一，使用过程中效率较低。 结构图： (2)圆柱坐标型机械手： 特点：操作机的手臂至少有一个移动关节和一个回转关节，其关节轴线按圆柱坐标系配置。 优缺点：结构刚度较好，运动所需功率较小，控制难度较小，但运动轨迹简单，使用过程中效率不高。 结构图：
焊接机械手毕业设计 【篇一：自动焊接机械手设计(毕业设计)】 自动焊接机械手设计 1 绪论 1.1 技术概述 工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测 传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三 维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多 品种、变批量的柔性生产。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。 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。 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长 和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速 反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗 恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它 是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术 领域不可缺少的自动化设备。 1.2 现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势： (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；国外已有模块化装配机器人产品问市。 (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 块化结构；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、
本科毕业设计(论文) 题目：焊接机械手的结构设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年5月
焊接机械手的结构设计 摘要 本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。 本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。 在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。 本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。 关键词：机械手；谐波减速器；结构设计
Structure design of robot arm Abstract The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism；structure design of large, small arm and wrist rotation. This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the. The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed. The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management. KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design
机电工程学院 《专业综合课程设计》 说明书 课题名称：简易机械手机械机构设计 学生姓名：沈柳根学号：20110611119 专业：机械电子工程班级：11机电 成绩：指导教师签字： 2015年1月5日
摘要 简易机械手是工业机械手的简化，功能相似，而工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。工业机械手设计是机械制造、机械设计和机械电子工程等专业的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一次专业课程内容得综合设计。通过设计提高学生的机械分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计的能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。 通过对于气动机械手的设计，展现了各个相关学科知识在这里的整合，有利于理解专业知识。 关键词：简易机械手；结构设计；气动
目录 摘要....................................................... 错误！未定义书签。 1 设计任务介绍及意义 (1) 1.1设计任务意义： (1) 1.2设计任务要求介绍： (1) 2 总体方案设计 (3) 2.1 结构分析 (3) 2.3 设计简介 (3) 3 机械传动结构设计 (5) 3.1传动结构总体设计 (5) 3.2手指气缸的设计 (6) 3.3纵向气缸的设计 (12) 3.4横向气缸的设计 (13) 4最终图纸 (15) 4.1装配图 (15) 5 总结 (16) 参考文献 (17)
专业课程设计说明书
目录 第1章课题规划 (1) 1.1 课题背景分析 (1) 1.2 设计任务书 (3) 第2章功能分析 (4) 2.1 设计任务功能分析 (4) 2.1.1 总功能提炼 (4) 2.1.2 功能分解 (4) 2.1.3 功能结构分析及功能结构图绘制 (4) 2.2 本章小结 (5) 第3章系统原理方案设计 (7) 3.1 功能单元求解 (7) 3.1.1 分功能求解 (7) 3.1.2 系统原理方案综合求解 (7) 3.1.3 方案优化及评价 (7) 3.2 本章小结 (7) 第4章总体设计 (9) 4.1 系统总体结构草图 (9) 4.2 本章小结 (14) 第5章总结 (15) 参考文献 (17)
第1章课题规划 1.1课题背景分析 从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手至今，机械手已经发展了三代。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，则会自动重复进行作业的示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取的信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就是智能机器人。对于智能机器人，尽管欧美和日本等许多国家都投入了大量人力和物力，但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手的发展是从20世纪50年代的固定动作机械手开始的，然后经历了60年代的数控机械手，在1978年时机械手才‘真正开始得到研究和应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届的的关注，并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会的不断发展，科学和技术的不断进步，人类对资源的依赖也越来越大，最终将不可避免的要向陆地以外甚至是地球以外的地方扩展，而在这些对人类来说恶劣的环境里，机械手的发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表的劳动工具，机械手能代替人类在恶劣的环境中完成人类无法完成又不得不做的工作。由于机械手的应用不得不向更广的范围延伸，这就要求机械手有更好的通用性，更高的适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手的经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求的基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高的的机械手是市场所需，社会发展的必然。作为一门发展迅速的前沿学科，机械手一方面涉及的领域广泛，交叉着多门学科;另一方面其自身的发展也相当迅速，不断出现需要研究的新问题。在自动化程度要求越来越高的现代世界经济中，机械手的应用也因此变得越来越广泛；已经由科学和技术的研究领域扩展到了人们日常生活的民用领域。这对机械手性能和功能的进一步改善和提高提出了更高的要求。 随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车
第三章智能机械手的整体结构设计 智能机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自然的优胜劣汰的优化选择，可以说已经是最优的结构，所以本设计决定采用完全模仿能人手的结构。 3.1智能机械手的机构设计 手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面： 1)手指关节运动副的型式 2)手指自由度 3)手指数目 4)手指的结构型式(关节的数目及相对姿态) 5)手指材料 6)手指具体结构设计 7)手掌结构设计 3.1.1手指关节运动副型式 智能机械手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、4和3，相应的自由度数目为l、1、1、2和3。 - - 16 - -
由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动副和螺旋副3种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运动，其灵活性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的智能机械手的运动副全部采用转动副。 3.1.2手指的自由度 自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，自由度增多，结构也更复杂，控制也更难。对于2自由度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性，但其智能机械手的结构设计和控制设计都很方便。本文设计的智能机械手每个手指有2个关节。 3.1.3手指的数目 人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体，其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。智能机械手的手指数目若小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为5时，是仿造人手的手指数目和结构，具有很多优势，如果技术允许可以完成人手的所有动作如图2-1，而且如果作为人的假肢则必须为5指。若手指数目多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，如果再加上若干传感器，规划过程和控制过程都相当复杂，很难保证实时性，所以智能机械手的手指数目一般取3到5个手指。 从仿生学角度出发，为能实现对各种不同形状物体的抓取，本文设计的智能机械手的手指数目取为5个。 - - 17 - -
第一章绪论 1.1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。今年已近开发出具有视觉、触觉及力觉感受的高性能机器人以及各种智能装配机械手，并投入工业应用。
序 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的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。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更
机电工程学院 机电一体化系统设计 课程设计 设计题目： 专业： 学号： 姓名： 指导老师：
毕业论文（设计）任务书 一、题目：搬运机械手的结构和控制系统设计 二、研究容与目标： 本设计主要的研究容是 1. 用proe绘制搬运机械手三维立体图 2. 用proe转配搬运机械手及制作仿真动画并生成仿真视频制作 3. 利用PLC实现控制系统设计 4. 设计说明书（1份） 目标：让搬运机械手能搬运物品，掌握机械手的设计原理和控制过程三、研究方法：通过不断地查找资料，研究工业机械手的作用，并不断分析最后制作出工业上需要的机械手。 四、主要参考文献：(5篇以上) [1]明保，吕春红等主编.机械手的组成机构及技术指标的确定.高等专科学 校学报，2004.120-134 [2]超主编.气动通用上下料机械手的研究与开发.科技大学，2003.103-121 [3]陆祥生，绣莲主编.机械手.中国铁道,1985.56-58 [4]建编.工业机械人.：理工大学,1992.76-79 [5]允文主编.工业机械手设计.机械工业,1996. [6]蔡自兴主编.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001.12-15 [7]金茂青，曲忠萍，桂华等主编.国外工业机械人发展的态势分析.机械人 技术与应用,2001.23-24 [8]王雄耀主编.近代气动机械人（机械手）的发展及应用.液压气动与密 封,1999.31-32 [9]明主编.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004. 64-66 [10]军，封志辉主编.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004.27-28
目录 第一章绪论 (2) 1.1工业机器人的简介 (2) 1.2机械手概述 (3) 1.3工业机械手的发展趋势 (4) 1.4 国外研究现状和趋势 (5) 1.6 液压系统传动原理 (7) 第二章电机驱动和液压驱动混合式搬运机械手方案设计 (8) 2.1电动驱动和液压驱动式搬运机械手的组成及各部分关系概述 (8) 2.2液压式搬运机械手方案设计 (8) 2.3机械手的系统工作原理及组成 (9) 2.4机械手手臂的结构设计 (13) 第三章尺寸设计与校核 (18) 3.1手臂伸缩液压缸的尺寸设计与校核 (18) 3.2手臂升降液压缸的尺寸设计与校核 (19) 3.3 腰部传动负载作回转运动的设计与校核 (20) 第四章机械手的PLC控制系统设计 (22) 4.1 PLC的工作原理 (22) 4.2 可编程序控制器的选择及工作过程 (23) 4.3 可编程序控制器的使用步骤 (24) 4.4 机械手可编程序控制器控制方案 (25) 第五章四自由度机械手运动仿真 (27) 5.1运动学仿真过程及定义分析 (27) 结论 (30) 致 (30)
摘要 在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于CAD/CAM软件应用方面有了进一步的提高。 关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构
The Design of Industry Manipulator Abstract In the mechanical manufacturing industry, the manipulator has been widely applied, thus the big improvement worker's work condition, the remarkable enhancement labor productivity, sped up realizes the industrial production mechanization and the automated step, this design through to the manipulator each main constituent (hand, skill, arm and fuselage and so on) analyzes, thus determined each main constituent the structure, carries on the design calculation in this foundation to the manipulator, thus determination assembly assembly drawing.Designs through this manipulator, the grasping correlation manipulator designs the main step, had the further enhancement regarding the CAD/CAM software application aspect. Keywords:Manipulator, design, hand, skill, arm, fuselage, structure
《焊接机械手可行性分析报告》 一﹑概述 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到机械学、力学、自动控制技术、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。焊接机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的快速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：一、它能部分的代替人工操作；二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、位置和时间来完成工件的传送与装卸；三、它能操作必要的工具进行装配和焊接，从而大大的改善了作业员的劳动条件，提高了劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、噪音、粉尘以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。机械手是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性比较强。但随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中大批量生产中获得广泛的应用。 二、本项目在国内外研究、开发、应用和维护现状 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，当前对机器人技术的研究十分活跃。我国有组织有计划地发展机器人事业．应该说是从“七五”期间的科技攻关及实施“863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的进步。目前在一些方面，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器人、装配机器人、特种机器人(水下、爬壁、管道、遥控等机器人)，已掌握了机器人的设计制造技术，解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线(工作站)及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。 中国工业机器人现在的总装机量约为1200台，其中国产机器人占有量约为1/3，即400多台。与世界机器人总装机台数75万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。对中国这样一个12亿人口的大国来说，差距是很明显的。装机数量少，说明了我国的工业化程度与工业发达国家的差距大。因为工业机器人的诞生和应用发展是以工业生产高度自动化和柔性化为大背景的。除数量外，差距还表现在已有的机器人的利用率不高，以进口的弧焊机器人为例，据调查，完全正常运转，充分发挥效益效益的只占1/3；另外1/3处于负荷不满或不能安全正常运转状态，原因是生产管理及使用维护存在不合理现象或问题；还有1/3不能正常使用，这是由于机器人质量问题或缺乏备件，以及请不起外方维修人员造成的。机器人应用效果不理想，直接影响了用户使用更多机器人的信心。 总的来看，我国的机器人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解决产业化前期的关键技术。积极推进我国的机器人产业化的进程。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、
机械手结构设计Newly compiled on November 23, 2020
轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真 摘要 随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程。 首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。 文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。 关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸； 目录 中文摘要 (1) 英文摘要 (2) 主要符号表 (5) 1 绪论 (1) 前言 (1) 工业机械手的简史 (1) 工业机械手在生产中的应用 (3) 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 (3) 在实现单机自动化方面 (3) 铸、锻、焊热处理等热加工方面 (3) 机械手的组成 (4)
执行机构 (4) 驱动机构 (4) 控制系统分类 (5) 工业机械手的发展趋势 (5) 本文主要研究内容 (6) 本章小结 (6) 2机械手的总体设计方案 (7) 机械手基本形式的选择 (7) 机械手的主要部件及运动 (7) 驱动机构的选择 (8) 机械手的技术参数列表 (8) 本章小结 (8) 3 机械手手部的设计计算 (9) 手部设计基本要求 (9) 典型的手部结构 (9) 机械手手抓的设计计算 (9) 选择手抓的类型及夹紧装置 (9) 手抓的力学分析 (10) 夹紧力及驱动力的计算 (11)
手抓夹持范围计算 (12) 机械手手抓夹持精度的分析计算 (13) 弹簧的设计计算 (14) 本章小结 (16) 4 腕部的设计计算 (17) 腕部设计的基本要求 (17) 腕部的结构以及选择 (17) 典型的腕部结构 (17) 腕部结构和驱动机构的选择 (18) 腕部的设计计算 (18) 腕部设计考虑的参数 (18) 腕部的驱动力矩计算 (18) 腕部驱动力的计算 (19) 液压缸盖螺钉的计算 (20) 动片和输出轴间的连接螺钉 (21) 本章小结 (22) 5 臂部的设计及有关计算 (23) 臂部设计的基本要求 (23) 手臂的典型机构以及结构的选择 (24)