第1章 绪 论

1.1 选题背景

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。机械手技术涉及到力学、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。

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

1、工业机械手性能不断提高（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。

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、工业机械手控制系统向基于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、虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来纵机械手。

1.2 送料机械手简介

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。

机械手的迅速发展是由于它的积极作用日益为人们所认识。其一，它能部分代替人工操作；其二，它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具来进行装配和焊接，从而大大改善工人的劳动条件，显著提高劳动生产效率，加快实现工业生产自动化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视。投入大量的人力材力加以研究和应用，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。

1.3 机械手组成

由执行机构、驱动系统、控制系统组成。

1.3.1 执行机构

括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1、手部：是机械手与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。

2、手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。

3、手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。

4、立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的。

5、机座：是机械手的基础部分。机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支承和联接的作用。

1.3.2 驱动系统

机械手的驱动系统是驱动执行运动的传动装置。常用的有液压传动、气压传动、

电力传动和机械传动等四种形式。

1.3.3 控制系统

控制系统是机械手的指挥系统 ，它控制驱动系统，让执行机构按规定的要求进行工作，并检测其正确与否。一般常见的为电器与电子回路控制，计算机控制系统也不断增多。

 

1.4 机械手分类

1.4.1根据所承担的作业的特点分类

    分为三类：

1、承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。

2、生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。

3、通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。

1.4.2 按功能分类

1、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，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。

2、通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。

3、示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。

1.4.3 按驱动方式分

1、液压传动机械手

2、气压传动机械手

3、机械传动机械手

1.5 毕业设计任务

    本设计为四自由度圆柱坐标型工业机器手，通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，运用Solidworks技术对上料机械手进行三维实体造型，并进行了运动仿真，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。

1.5.1 设计目的

    在熟悉生产过程后，进行方案设计，机构设计与相应的动力选型，完成装配图、零件图与电气控制图设计。通过该设计使学生对机电一体化技术及设备设计有一完整的认识，并树立系统思维的观念，为今后的工作打下坚实的基础。

1.5.2 设计技术要求

    本设计为四自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到加工工位上这一简单的动作。

工作过程为：

    设计完成后的机械手应该具备以下功能：平衡位置à 手臂伸长到工件位置à手部抓取à手臂回缩à手臂上升到预定位置à手腕回转à手臂伸长到预定位置à  手抓松开，放下工件à  手臂回缩à手臂下降à手臂回转到平衡位置。

1.5.3 原始资料

1、原始数据

（1） 生产纲领：100000件（两班制生产）

（2） 自由度（四个自由度）

臂转动180º

臂上下运动    500mm

臂伸长（收缩）500mm

手部转动      180º

2、设计要求：

（1） 上料机械手装配图(A0图一张)、主要零件图（A2图一张）

（2） 液压原理图（一张）

（3） 机械手三维造型

（4） 动作模拟仿真

（5） 设计计算说明书（一份）

3、技术要求

主要参数的确定：

（1） 坐标形式：圆柱坐标系

（2） 臂的运动行程：伸缩运动500mm，回转运动180º。

（3） 运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。

（4） 控制方式：起止设定位置。

（5）定位精度：±0.5mm。

（6）手指握力：392N

（7） 驱动方式：液压驱动。

1.5.4 设计的主要内容

1、系统总体方案的确定：明确装置的工作原理，该装置主要由液压泵

—液压缸、零件夹持机构、旋转机构、升降机构、控制装置组成。

2、夹持机构的设计：夹钳式手部结构方案。

3、升降机构的设计：主要利用液压缸的伸缩转换为机构的直线运动。

4、旋转机构设计：主要采用液压回转缸实现机构的回转运动。

5、液压系统的选型与计算。

6、控制系统的设计：用PLC或单片机来控制。

1.5.5 设计步骤

1、明确设计技术要求；

2、根据技术要求确定升降机构与夹持机构的动力形式；

3、初步确定机械手抓和移动机构的形式及总体结构；

4、根据载荷要求和工件的几何尺寸，通过计算确定机械手抓的形式和手抓部液压缸的选择；

5、选择液压泵、直线型液压缸、回转液压缸、导轨等，并确定型号；

6、根据工作流程和动作与动力要求确定控制与检测元件；

7、进行装配图设计并完成电气图与电气控制图设计；

8、编制设计说明书；

9、准备工作：

（1）熟悉机械原理和机械零件与电气控制原理

（2）熟悉液压原理

（3）熟悉公差配合要求

（4）借阅机械设计手册与机械零件设计手册、电气设计手册

第2章 总体方案的确定

2.1 方案的要点、要求及分析

2.1.1 方案要点

方案确定的要点:合理性、高效性、经济性、实用性。

2.1.2 方案要求

本设计为四自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和两个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到加工工位上这一简单的动作。传感器检测到毛坯到达手爪的夹持范围时夹持住毛坯——→在手腕方向直线缩回——→手腕在垂直方向上升到加工工位要求高度——→手臂整体旋转180°——→手腕回转——→手抓在手腕直线方向伸出到达工位处——→手抓松开，毛坯到达加工工位。复位的过程则是与上面描述的相反，整个过程自动进行。

2.1.3 方案关键点分析

本设计题目的关键点有以下三点：

1、毛坯件的夹持机械手抓的结构设计，其目的是使其夹持不同直径毛坯时产生的定位误差最小，据此设计出最佳的夹持结构各部分尺寸；

2、在设计中涉及到两个直线运动副的设计，如何提高其刚度是本设计的关键点之一，其会直接引起重复定位精度；

3、机械手各部分机构材料的合理选择，因为为使整个机构重量最轻转动惯量最小，而又要满足整体具有一个较好的刚度；

4、电器原理图的设计。

2.2 总体方案的确定

2.2.1 料槽形式及分析动作要求

1、料槽形式

    由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽,如图2.2所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。

 

图2-2  机械手安装简易图

(1)   动作要求分析

动作一：送  料

动作二：预夹紧

动作三：手臂上升

动作四：手臂旋转

动作五：手腕回转

动作六：手臂伸长

动作七：手抓松开，放下工件

动作八：手臂回缩

动作九：手臂下降

动作十：手臂回转到平衡位置