简述机械手整体结构的分析和设计.毕业设计

简述机械手整体结构的分析和设计.

南京信息职业技术学院

毕业设计论文

作者 xxx 学号 xxxxxx 系部 机电学院 专业 XXXXXXXX 题目 简述机械手整体结构的分析和设计 指导教师 xxxxxxx 评阅教师 完成时间： 2012 年X 月XX 日

简述机械手整体结构的分析和设计.

毕业设计(论文)中文摘要

简述机械手整体结构的分析和设计.

毕业设计(论文)外文摘要

简述机械手整体结构的分析和设计.

目录

1. 引言 ........................................................................................................................................................... 1

1.1 机械手控制现状 ............................................................................................................................ 1

1.2 机械手控制设计目的 .................................................................................................................... 1

1.3 机械手控制趋势和意义 ................................................................................................................ 2

2. 机械手整体结构及各部分机械结构的论证 ........................................................................................... 3

2.1机械手的总体结构的分析 ............................................................................................................. 3

2.1.1 机械手总体结构的类型的分析 .......................................................................................... 3

2.1.2 设计具体采用方案 .............................................................................................................. 4

2.2机械手腰座结构的分析 ................................................................................................................. 4

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求分析 ...................................................................................... 5

2.2.2 设计具体采用方案 .............................................................................................................. 5

2.3机械手手臂结构的分析 .................................................................................................................. 6

2.3.1 机械手手臂的设计要求分析 .............................................................................................. 6

2.3.2 设计具体采用方案 .............................................................................................................. 6

2.4机器手腕部结构的分析 .................................................................................................................. 7

2.4.1 机器手手腕部结构的设计要求分析 .................................................................................. 7

2.4.2 设计具体采用方案 .............................................................................................................. 8

2.5机械手末端执行器（手爪）的结构分析 ...................................................................................... 9

2.5.1 机械手末端执行器的设计要求分析 .................................................................................. 9

2.5.2 机器手夹持器的运动和驱动方式 ...................................................................................... 9

2.5.3 机器手夹持器的典型结构 ................................................................................................ 10

2.5.4 设计具体采用方案 ............................................................................................................ 11

3. 机械手传动结构和驱动系统的分析 ..................................................................................................... 12

3.1机械手的机械传动机构的分析 ................................................................................................... 12

3.1.1 工业机器手常用的传动机构形式 .................................................................................... 12

3.1.2 设计具体采用方案 ............................................................................................................ 14

3.2机械手驱动系统的分析 ............................................................................................................... 15

3.2.1 机器手各类驱动系统的特点 ............................................................................................ 15

3.2.2 工业机器手驱动系统的选择原则 .................................................................................... 16

3.2.3 机器手液压驱动系统 ........................................................................................................ 17

3.2.4 机器手气动驱动系统 ........................................................................................................ 17

3.2.5 机器手电动驱动系统 ........................................................................................................ 18

3.2.6 设计具体采用方案 ............................................................................................................ 20

结论 .............................................................................................................................................................. 22

致谢 .............................................................................................................................................................. 23

参考文献 ...................................................................................................................................................... 24

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1．引言

1.1 机械手控制现状

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，机器手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。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 机械手控制设计目的

本设计通过对数控专业大学专科三年的所学知识进行整合，简单完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现数控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,利用机器手技术，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）的真正自动化。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。

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1.3机械手控制趋势和意义

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手整机。

B．工业机器手控制系统向基于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。

C．机器手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、焊接机器手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器手则采用视觉、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手的关键技术。

D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

E．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

大体是两个方向：其一是机器手的智能化，多传感器、多控制器；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器手，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

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2．机械手整体结构及各部分机械结构的论证

2.1机械手的总体结构的分析

2.1.1 机械手总体结构的类型的分析

工业机器手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。

1.直角坐标机器手结构

直角坐标机器手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器手有可能达到很高的位置精度（μm级）。但是，这种直角坐标机器手的运动空间相对机器手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器手的结构尺寸要比其他类型的机器手的结构尺寸大得多。

直角坐标机器手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.圆柱坐标机器手结构

圆柱坐标机器手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机器手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

3.球坐标机器手结构

球坐标机器手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1.c。这种机器手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

4. 关节型机器手结构

关节型机器手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1.d。关节型机器手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器手。

关节型机器手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

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图2-1 四种机器手坐标形式

2.1.2 设计具体采用方案

具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。机械手工作布局图如图2-2所示。

图2-2

2.2 机械手腰座结构的分析

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进行了机械手总体机构类型的确定之后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求分析

1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器手在工作时整体安装的稳定性。

2.腰座要承受机器手全部的重量和载荷，因此，机器手的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

3.机器手的腰座是机器手的第一个回转关节，它对机器手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。

4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器手手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。

6.为了减轻机器手运动部分的惯量，提高机器手的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.2.2 设计具体采用方案

腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。腰座具体结构如图2-3所示：

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图2-3 腰座结构图

2.3 机械手手臂的结构分析

2.3.1 机械手手臂的设计要求分析

在进行机器手手臂设计时，要遵循下述原则；

1.应尽可能使机器手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器手运动学正逆运算简化，有利于机器手的控制。

2.机器手手臂的结构尺寸应满足机器手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机器手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机器手手臂末端工作空间并没有考虑机器手手腕的空间姿态要求，如果对机器手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。

3.为了提高机器手的运动速度与控制精度，应在保证机器手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器手手臂。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器手手臂的重量。

4.机器手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。

5.机器手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和

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提高机器手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器手的手臂时，应尽可能利用在机器手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。

6.机器手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

2.3.2 设计具体采用方案

机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

2.4 机械手腕部的结构分析

机器手的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器手末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器手手臂末端的手腕，则给出了机器手末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器手手腕是机器手操作机的最末端，它与机器手手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

2.4.1 机器手手腕结构的设计要求分析

1.机器手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器手腕部的灵活性愈高，机器手对对作业的适应能力也愈强。但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器手的控制更困难，成本也会增加。因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。一般的机器手手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器手手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能

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实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器手的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。

2.机器手腕部安装在机器手手臂的末端，在设计机器手手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器手腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

3.机器手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。

4.机器手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。

5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

2.4.2设计具体采用方案

通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手腕不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。具体的手腕结构见图2-4。

水平液压缸支承板手臂手

爪联结

梁

执行手爪

图2-4手爪联结结构

2.5机械手末端执行器的结构分析

2.5.1机械手末端执行器的设计要求分析

机器手末端执行器是安装在机器手手腕上用来进行某种操作或作业的附加装置。机器手末端执行器的种类很多，以适应机器手的不同作业及操作要求。末端执行器可分为搬运用、加工用和测量用等。

加工用末端执行器是带有喷枪、焊枪、砂轮、铣刀等加工工具的机器手附加装置，

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用来进行相应的加工作业。

在设计机器手末端执行器时，应注意以下问题；

1.机器手末端执行器是根据机器手作业要求来设计的。一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器手新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器手末端执行器，将不断的扩大机器手的应用领域。

2.机器手末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和机器手容许的负荷力。因此，要求机器手末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。

3.机器手末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂，甚至很难实现，例如，仿人的万能机器手灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器手末端执行器。从工业实际应用出发，应着重开发各种专用的、高效率的机器手末端执行器，加之以末端执行器的快速更换装置，以实现机器手多种作业功能，而不主张用一个万能的末端执行器去完成多种作业。因为这种万能的执行器的结构复杂且造价昂贵。

4.通用性和万能性是两个概念，万能性是指一机多能，而通用性是指有限的末端执行器，可适用于不同的机器手，这就要求末端执行器要有标准的机械接口（如法兰），使末端执行器实现标准化和积木化。

5.机器手末端执行器要便于安装和维修，易于实现计算机控制。用计算机控制最方便的是电气式执行机构。因此，工业机器手执行机构的主流是电气式，其次是液压式和气压式（在驱动接口中需要增加电-液或电-气变换环节）。

2.5.2机器手夹持器的运动

机器手夹持器及机器手手爪。一般工业机器手手爪，多为双指手爪。按手指的运动方式，可分为回转型和移动型，按夹持方式来分，有外夹式和内撑式两种。

机器手夹持器（手爪）的驱动方式主要有三种

1.气动驱动方式 这种驱动系统是用电磁阀来控制手爪的运动方向，用气流调节阀来调节其运动速度。由于气动驱动系统价格较低，所以气动夹持器在工业中应用较为普遍。另外，由于气体的可压缩性，使气动手爪的抓取运动具有一定的柔顺性，这一点是抓取动作十分需要的。

2.电动驱动方式 电动驱动手爪应用也较为广泛。这种手爪，一般采用直流伺服电机或步进电机，并需要减速器以获得足够大的驱动力和力矩。电动驱动方式可实现手爪的力与位置控制。但是，这种驱动方式不能用于有防爆要求的条件下，因为电

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机有可能产生火花和发热。

3.液压驱动方式 液压驱动系统传动刚度大，可实现连续位置控制。

2.5.3 机器手手爪的典型结构

1.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。

2.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

3.连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

4.齿轮齿条式手爪

手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。

5.平行杠杆式手爪

采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。

2.5.4设计具体采用方案

结合具体的工作情况，本设计采用连杆杠杆式的手爪。驱动活塞往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工工件的直径来调定。本设计按照工件的直径为50mm来设计。手爪的具体结构形式如图2-5所示：

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图2-5机械手末端执行手爪结构图

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3．机械手传动结构和驱动系统的分析

3.1机械手的机械传动机构的分析

3.1.1工业机器手常用的传动机构形式

1.齿轮传动机构

在机器手中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

机器手系统中齿轮传动设计的一些问题

（1）齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。

（2）各级传动比的最佳分配原则。当计算出传动比后，为使减速系统结构紧凑，满足动态性能和提高传动精度的要求，要对各级传动比进行合理的分配，原则如下：

a．输出轴转角误差最小原则。为了提高齿轮传动系统的运动精度，各级传动比应按“先小后大”的原则分配，以便降低齿轮的加工误差、安装误差及回转误差对输出转角精度的影响。

b．等效转动惯量最小原则。该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。

具体而言有几点：

（1）对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。

（2）对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。

（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小