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工业机械手设计说明书

第一章绪论

1.1工业机械手概括

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、能在三维空间达成各样作业的机电一体化自动化生产设施。

特别合适于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳固、提升产质量

量，提升生产效率，改良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，是今世研究十分活跃，应用日趋宽泛的领域。

机器人应用状况，是一个国家工业自动化水平的重要标记。

机器人其实不是在简单意义上取代人工的劳动，而是综合了人的专长和机器专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响和剖析判断能力，又有机器可长时间连续工作、精准度高、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，它是工业以及非家产界的重要

生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不行缺乏的自动化设施.机械手是模拟着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要务实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手能够提升

生产的自动化水平易劳动生产率:

能够减少劳动强度、保证产质量量、实现安全生产;特别在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，

它取代人进行正常的工作，意义更加重要。

所以，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热办理、电镀、喷漆、装置以及轻工业、交通运输业等方面获取愈来愈宽泛的引

用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是隶属于该机床的专用机械手。

跟着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，合用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

因为通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不停变换生产品种的中小批量

生产中获取宽泛的引用。

机械手技术波及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、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。

机械手是一种能自动化定位控制并可从头编程序以改动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以达成在各个不一样环境中工作。

1.2机械手的构成和分类

机械手主要由履行机构、驱动系统、控制系统以及地点检测装置等所构成。

各系统互相之间的关系如方框图2-1所示。

机械手构成方框图:

（一）履行机构

包含手部、手段、手臂和立柱等零件，有的还增设行走机构。

1、手部

即与物品接触的零件。

因为与物品接触的形式不一样，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采纳夹持式手部结构。

夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。

手指是与物品直接接触的构件，常用的手指运动形式有展转型和平移型。

展转型手指结

构简单，制造简单，故应用较宽泛。

平移型应用较少，其原由是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的地点，所以适合夹持直径变

化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物品的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物品的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:

手指有外夹式和内撑

式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则经过手指产生夹紧力来达成夹放物品的任务。

传力机构型式许多经常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手段

是连结手部和手臂的零件，并可用来调整被抓取物品的方向（即姿势）

3、手臂

手臂是支承被抓物品、手部、手段的重要零件。

手臂的作用是带着手指去抓取物品，并按预约要求将其搬运到指定的地点.工业机械手的手臂往常由驱着手臂运动的零件

（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相当合，以实现手臂的各样运动。

4、立柱

立柱是支承手臂的零件，立柱也能够是手臂的一部分，手臂的展转运动和起落（或俯仰）运动均与立柱有亲密的联系。

机械手的立I因工作需要，有时也可作横向挪动，即称为可移式立柱。

5、行走机构

当工业机械手需要达成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式布为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应此外增设机械传动装置。

6、机座

机座是机械手的基础部分，机械手履行机构的各零件和驱动系统均安装于机座

上，故起支撑和连结的作用。

（二）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手履行机构运动的动力装置调理装置和协助装置构成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。

控制系统是支配着工业机械手按规

定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系一致般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统构成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的

程序运动，

并记忆人们赐予机械手的指令信息（如动作次序、运动轨迹、运动速度实时间），同时按其控制系统的信息对履行机构发出指令，必需时可对机械手的动作进行监督，当动作有错误

或发生故障时即发出报警信号。

（三）控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制

系一致般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统构成。

控制系统有电气控

制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们赐予机械手的指

令信息（如动作次序、运动轨迹、运动速度实时间），同时按其控制系统的信息对履行机构发出指令，必需时可对机械手的动作进行监督，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）地点检测装置

控制机械手履行机构的运动地点，并随时将履行机构的实质地点反应给控制系统，并与设定的地点进行比较，而后经过控制系统进行调整，进而使履行机构以必定的精度达到设定地点.

机械手的分类

工业机械手的种类好多，对于分类的问题，目前在国内还没有一致的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

（一）按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:

1、专用机械手

它是隶属于主机的、拥有固定程序而无独立控制系统的机械装置。

专用机械手拥有动作少、工作对象单一、结构简单、使用靠谱和造价低等特色，合用于大量量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和”叻口工中心”

2、通用机械手

它是一种拥有独立控制系统的、程序可变的、动作灵巧多样的机械手。

格性能范围内，其动作程序是可变的，经过调整可在不一样场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。

通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，合用于不停变换生产品种的中小批量自动化的生产。

通用机械手按其控拟订位的方式不一样可分为简略型和伺服

型两种:

简略型以“开一关”式控拟订位，只好是点位控制:

能够是点位的，也能够实现连续轨控制，

伺服型拥有伺服系统定位控制系统，

一般的伺服型通用机械手属于数控类

型。

（二）按驱动方式分

1、液压传动机械手

是以液压的压力来驱动履行机构运动的机械手。

其主要特色是:

抓重可达几百公斤以上、传动安稳、结构紧凑、动作敏捷。

但对密封装置要求严格，否则油的泄漏对机

械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。

若机械手采纳电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，可是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动履行机构运动的机械手。

其主要特色是:

介质李源极为方便，输卖力小，气动动作快速，结构简单，成本低。

可是，因为空气拥有可压缩的

特征，工作速度的稳固性较差，冲击大，并且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在相同抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以合用于高速、轻载、高平易粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

即由机械传动机构（如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等）驱动的机械手。

它是一种隶属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传达的。

它的主要特色是

运动正确靠谱，用于工作主机的上、下料。

动作频次大，但结构较大，动作程序不行变。

4、电力传动机械手

即有特别结构的感觉电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动履行机构运动的械手，因为不需要中间的变换机构，故机械结构简单。

此中直线电机机械手的运动速度快和行程长，保护和使用方便。

此类机械手目前还不多，但有发展前程。

（三）按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的挪动，只好控制运动过程中几个点的地点，不可以控制其运动轨迹。

若欲控制的点数多，则必定增添电气控制系统的复杂性。

目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的随意连续曲线，其特色是设定点为无穷的，整个挪动过程处于控制之下，能够实现安稳和正确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。

这种工业机械手一般采纳小型计算机进行控制。

1.3国内外发展状况

外国机器人领域发展近几年有以下几个趋向:

（1）工业机器人性能不停提升（高速度、高精度、高靠谱性、便于操作和维修），而单机价钱不停降落，均匀单机价钱从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。

（2）机械结构向模块化、可重构化发展。

比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结构机器人整机;外国已有模块化妆配机器人产品问市。

（3）工业机器人控制系统向鉴于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提升，控制柜日见小巧，且采纳模块化结构:

大大提升了系统的靠谱性、易操作性和可维修性。

（4）机器人中的传感器作用日趋重要，除采纳传统的地点、速度、加快度等传感器

外，装置、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采纳视

觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的交融技术来进行环境建模及决议控制;多传感器交融配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（5）虚构现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操控机器人。

（6）今世遥控机器人系统的发展特色不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完好的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入适用化阶段。

美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最着名实例。

（7）机器人化机械开始盛行。

从94年美国开发出“虚构轴机床”以来，这种新式装置

已成为国际研究的热门之一，纷繁探究开辟其实质应用的领域。

我国的工业机器人从80年月“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，经过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人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，生产了部分机器人要点元器件，开发

出喷漆、弧焊、点焊、装置、搬运等机器人;此中有130多台套喷漆机器人在二十

余家公司的近30条自动喷漆生产线（站）上获取规模应用，弧焊机器人己应用在汽

车制造厂的焊装线上。

但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平

和外国比还有必定的距离，如:

靠谱性低于外国产品:

机器人应用工程起步较晚，

应用领域窄，生产线系统技术与外国比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产

工业机器人约200台，约占全世界已安装台数的万分之四。

以上原由主若是没有形成

机器人家产，目前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次从头设计”，品种规格多、批量小、零零件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，并且质量、靠谱性不稳固。

所以急迫需要解决家产化先期的要点技术，对产品进

行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，踊跃推动家产化进度.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也获得了许多成就。

此中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成就居世界当先水平，还开发出直接

遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:

在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上展开了许多工作，有了必定的发

展基础。

可是在多传感器信息交融控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装置机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚才起步，与外国先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有要点地系统攻关，才能形成系统配套可供适用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进队列之中。

1.4课题的提出及主要任务

进入21世纪，跟着我国人口老龄化的提早到来，近来在东南沿海还出此刻大量的缺工现象，急迫要求我们提升劳动生产率，降低工人的劳动强度，提升我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到此外一条生产线，实现自动化生产，减少家产工人大量的重复性劳动，同时又能够提升劳动生产率。

。

此刻的机械手大多采纳液压传动，液压传动存在以下几个弊端:

（1）液压传动在工作过程中常有许多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失等）:

液压传动易泄漏，不单污染工作场所，限制其应用范围，可能惹起失火事故，并且影响履行部分的运动安稳性及正确性。

（2）工作时受温度变化影响较大。

油温变化时，液体粘度变化，惹起运动特征变化。

（3）因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。

（4）为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价钱较高;且使用保护需要较高技术水平。

鉴于以上这些缺点，本机械手拟采纳气压传动，

气动技术有以下长处:

（1）介质提取和办理方便。

气压传动工作压力较低，工作介质提取简单，尔后排入大气，

办理方便，一般不需设置回收管道和容器:

介质洁净，管道不易堵存在介质变质及增补的问题.

（2）阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小（一般不卜浇塞仅为油路的千分之一），空气便于集中供给和远距离输送。

外泄漏不会像液压传动那样，

造成压力显然降低和严重污染。

（3）动作快速，反响敏捷。

气动系一致般只需要0.02s-0.3s即可成立起所需的压力和速度。

气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。

（4）能源可储藏。

压缩空气可存贮在储气罐中，所以，发生忽然断电等状况时，机器及其

工艺流程不致忽然中止。

（5）工作环境适应性好。

在易燃、易爆、多灰尘、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优胜，并且不会因温度变化影响传动及控制性能。

（6）成本便宜。

因为气动系统工作压力较低，所以降低了气动元、辅件的材质和加工精度

要求，制造简单，成本较低。

传统看法以为:

因为气体拥有可压缩性，所以，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（特别在高速状况下，仿佛更难想象）。

其他气源工作压力较低，抓举力较小。

固然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业

界所接受，并且对于不太复杂的机械手，用气动元件构成的控制系统己被接受，但因为气动机器人这一系统己经获得的一系列重要进展过去介绍得不够，所以在工业自动

化领域里，对气动机械手、气动机器人的适用性和远景存在许多疑虑。

本课题将要达成的主要任务以下:

（1）机械手为通用机械手，所以相对于专用机械手来说，它的合用面相对较广.

（2）选用机械手的座标型式和自由度

（3）设计出机械手的各履行机构，包含:

手部、手段、手臂等零件的设计。

为了使通用性更强，手部设计成可改换结构，不单能够应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还能够用气流负压式吸盘来汲取板料工件。

（4）气压传动系统的设计

本课题将设计出机械手的气压传动系统，包含气动元器件的选用，气动回路的设计，并绘出气动原理图。

（5）对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提升画图效率，改良画图质量。

（6）机械手的控制系统的设计

本机械手拟采纳可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制，本课题将要选用PLC型号，依据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

第二章机械手的设计方案

对气动机械手的基本要求是能快速、正确地拾-放和搬运物品，这就要求它们拥有高

精度、快速反响、必定的承载能力、足够的工作空间和灵巧的自由度及在随意地点都能自

动定位等特征。

设计气动机械手的原则是:

充足剖析作业对象（工件）的作业技术要求，拟

定最合理的作业工序和工艺，并知足系统功能要乞降环境条件;明确工件的结构形状和资料特征，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特征、尺寸和质量参数等，进而进一步确立对机械手结构及运转控制的要求;尽量采纳定型的标准组件，简化设计制造过程，兼备通用性和专用性，并能实现柔性变换和编程控制.本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种合适于成批或中、小批生产的、能够改改动作程序的自动搬运或操作设施，动强度大和操作单一屡次的生产场合。

2.1机械手的座标型式与自由度

按机械手手臂的不一样运动形式及其组合状况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式和关节式。

因为本机械手在上下料时手臂拥有起落、缩短及展转运动，所以，采纳圆柱座标型式。

相应的机械手拥有三个自由度，为了填补起落运动行程较小的弊端，增添手臂摇动机构，进而增添一个手臂上下摇动的自由度

图2-1机械手的运动表示图

2.2机械手的手部结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可改换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3机械手的手段结构方案设计

考虑到机械手的通用性，同时因为被抓取工件是水平搁置，所以手段一定设有展转运动才可知足工作的要求。

所以，手段设计成展转结构，实现手段展转运动的机构为展转气缸。

2.4机械手的手臂结构方案设计

依据抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右展转和

降（或俯仰）运动。

手臂的展转和起落运动是经过立柱来实现的，立柱的横向挪动即为手臂的横移。

手臂的各样运动由气缸来实现。

2.5机械手的驱动方案设计

因为气压传动系统的动作快速，反响敏捷，阻力损失和泄漏较小，成本便宜所以本机械手采纳气压传动方式。

2.6机械手的控制方案设计

考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，所以采纳可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。

当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，特别方便快捷。

2.7机械手的主要参数

1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，因为是采纳气动方式驱动，所以考虑抓取的物

体不该当太重，查阅有关机械手的设计参数，联合工业生产的实质状况，本设计设计抓取的工件质量为3-5公斤

2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。

操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。

而影响机械手动作快慢的主要要素是手臂伸缩及回

转的速度。

该机械手最大挪动速度设计为1.0m/s。

最大展转速度设计为90/s。

均匀

挪动速度为0.8m/s。

均匀展转速度为60/s。

机械手动作时有启动、停止过程的加、

减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特征较为全面，因为均匀速度与行程有关，故用均匀速度表示速度的快慢更加切合速度特征。

除了运动速度之外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。

大多数机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。

过大的伸缩行程和工作半径，必定带来着重力矩增大而刚性降低。

在这种状况下宜采纳自动传递装置为好。

依据统计和比较，该机械手手臂的伸缩

行程定为600mm,最大工作半径约为1400mm。

手臂起落行程定为120mm。

定位精度也是

基本参数之一。

该机械手的定位精度为1mm。

2.8机械手的技术参数列表

一、用途:

用于自动输送线的上下料。

二、设计技术参数:

1、抓重

3-5kg

2、自由度数

4个自由度

3、座标型式

圆柱座标

4、最大工作半径

5、手臂最大中心高

6、手臂运动参数

伸缩行程1200mm

伸缩速度400mm/s

起落行程120mm

起落速度250mm/s

展转范围0180

展转速度90/s

7、手段运动参数

展转范围0180

展转速度90/s

8、手指夹持范围

棒料:

80mm150mm

9、定位方式

行程开关或可调机械挡块等

10、定位精度

11、驱动方式

气压传动

12、控制方式

点位程序控制（采纳PLC）

图2-6机械手的工作范围

第三章手部结构设计

为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可改换结构，工件为棒料，使用夹持式手部。

3.1夹持式手部结构

夹持式手部结构由手指（或手爪）和传力机构所构成。

其传力结构形式比许多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

夹持式是最常有的一种，此中常用的有两指式、多指式和双手双指式:

按手指夹持工件的部位又可分为内卡式（或内涨式）和外夹式两种:

按模拟人手手指的动作，手指可分为一支点展转型，二支点展转型和挪动型（或称直进型），此中以二支点展转型为基本型式。

当二支点展转型手指的两个展转支点的距离减小到无量小时，就变为了一支点回

转型手指;同理，当二支点展转型手指的手指长度变为无量长时，就成为挪动型。

展转型手指开闭角较小，结构简单，制造简单，应用宽泛。

挪动型应用较少，其结构比较复杂宏大，当挪动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的地点，能适应不一样直径的

工件。

（一）拥有足够的握力（即夹紧力）

在确立手指的握力时，除考虑工件重量外，还应试虑在传递或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或零落。

（二）手指间应拥有必定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限地点所夹的角度称为手指的开闭角。

手指的开闭角应保

证工件能顺利进入或脱开，若夹持不一样直径的工件，应按最大直径的工件考虑。

对于挪动

型手指只有开闭幅度的要求。

（三）保证工件正确立位

为使手指和被夹持工件保持正确的相对地点，一定依据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。

比如圆柱形工件采纳带“V”形面的手指，以便自动安心。

（四）拥有足够的强度和刚度

手指除遇到被夹持工件的反作使劲外，还遇到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或曲折变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手段的展转轴线上，以使手段的扭转力矩最小为佳。

（五）考虑被抓取对象的要求

依据机械手的工作需要，经过比较，我们采纳的机械手的手部结构是一支点两指展转型，因为工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

1、手部驱动力计算

本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，

图3-2齿

轮齿条式手部

假定其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度2120，b120mmR24mm,摩擦系数为f0.10

（1）依据手部结构的传动表示图，其驱动力为:

（2）依据手指夹持工件的方向，可得握力计算公式:

所以

（3）实质驱动力:

I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取

0.94

，并取K11.5。

若被抓取工件的最大加