1、机械手结构设计毕业论文设计1. 绪论1.1工业机械手设计的意义1、熟悉机械手的应用场合及有关机械手设计的步骤；2、机械手可以提高生产过程中的自动化程度，减轻人力，便于有节奏的生产；3、结合机械手设计这方面的知识， 在设计过程中学会怎样发现问题、 研究问题、 解决问题。1.2国外的机械情况现代工业机械手起源于 20世纪 50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、 能适 应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 。机械手首先是从美国开始研制的。 1958年美国联合控制公司研制出第一台机械 手。他的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系 统是示教型的。1962年，美
2、国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现 型机械手。商名为Uni-mate（即万能自动）。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰， 用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式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（ Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫 Versatran机械手，原意是灵活搬运。 该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、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Uni-mate
3、公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种 Uni-mate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，定位误差可小于 1毫 米。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如 Un i-mate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前 平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时 间），由400小时提高到 1500小时，精度可提高到 0.1毫米。德国机器制造业是从 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。德国Kn-Ka公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制
4、。 瑞士 RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969年从美国引进二种典型 机械手后，大力研究机械手的研究。据报道， 1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达 50多个。 1976年大学和国家研究部门用在机械手的研究费用 42%。 1979年日本机械手的产值达 443亿日元，产量为 14535台。其中固定程序和可变程序 约占一半，达 222亿日元，是 1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为 67亿日 元，比1978年增长50% 。智能机械手约为 17亿日元，为
5、1978年的6倍。截止1979年， 机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%,并以每年50%60% 的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到 1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触 觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械 手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机 和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统 FMS（Flexible Manufacturing syste
6、m和柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell）中重要一环。随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分 活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3国形势 1：经过近十年的努力， 我国在工业机器人应用工程的开发方面已具有相当的实力， 已有一支了解企业的需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及 时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应 用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这 样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可形成具 有一定规模
7、的产业。如果说 20 世纪 90 年代机床创新的最大成就是发明并联机床的话， 那么当今工 业机器人在机床上的应用已成为发展的一大趋向。机器人与机床相结合，以往主要 是解决工件自动上下料搬运问题，致使机床得以无人化 24 小时连续运转。如擅长 专机制作的意大利 COMAU 公司，他们比较成熟地将缸体及缸盖生产线中的零件搬 运，设计成由机器人完成。当然，对工件的抛光打磨、清洗及其它脏、累活也是机 器人表现的舞台。去年 9 月在汉诺威 EMO2005 展览会上，工业机器人的应用非常 抢眼，而且它应用的领域也在扩大。然而在这次 CCMT2006 展览会上，值得一机 器人应用是当今机床发展的一大趋向提的
8、是 1 号馆 W 1 - 9 1 6 意大利意沃乐 EVOLUT 公司，这个欧洲最大的机器人应用与集成公司， 他们的一台 DC-5 机器人 修边、倒角装置特别引人注目。该机器人可以装夹工具对主轴上零件修边去毛刺， 甚至机器人可以加装动力源用刀具对零件进行加工， 因此它已将机械人传统的搬运、 喷漆、焊接工作围扩展到了金属切削及抛光领域。工作单元还可以配备各种上料方式： 如带视频装置可抓取随机摆放的工件， 或 以旋转台摆放，或以传送带摆放等等。 DC-5 工作单元可以处理的最大负荷为 120/150kg。适宜加工的金属材料为铝镁合金、铜、铅、铸铁等。可以代替至少四 个工人的工作量。 3 D 编程软
9、件将以往 8 小时编程时间缩减为 15 分钟，为小批量 多品种的工件提供最好的解决方案。 意沃乐公司除此以外最常涉足的领域还有用于 压铸单元、车、铣中心单元、复合机床单元、 零件抛光单元上的各种机械人应用等 等。随着社会的不断发展和进步， 势必劳动力的成本将越来越高， 对环保及安全的 要求将越来越严， 所以工业机器人的应用必将与时俱进。 而且，由机器人干出的工 件，譬如说打磨， 其零件的一致性肯定比人工来得好， 因此欧洲有些名牌汽车制造 商甚至对某些零件的某些工步， 规定必须由机器人来操作。 由此看来， 工业机器人 在机床上的应用会将越来越广。国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：1.工业机
10、器人性能不断提高 （高速度、高精度、高可靠性、便于操做和维修 ）， 而单机不断下降，平均单机价格从 1991 年的 1 0.3万美元降至 2002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世。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，控制柜日渐小巧，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2总体分析2.1自由度分析该机械手臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。整个机械臂安装在一个
11、回转 支座上，回转角度围为 360；肩关节为转动关节 ,回转角度围为 360；小臂相对于 大臂可摆动，摆动围为 60-120 ；小臂末端的手腕也可以摆动，水平和垂直摆动围 为-60 到 +60；手腕的末端安装一机械手， 机械手具有开闭能力， 用于直径 30-45mm 工件的抓取。系统共有 5 个自由度，分别是基座的回转旋转、肩部俯仰、肘部左右俯仰、腕 部转动及俯仰。2.2功能分析该机构是一个五自由度的工业机械手， 能完成夹紧、旋转、俯仰、 摇摆以及回 转动作，可用于工业流水线上的操作。我们主要针对设计的是在流水线上对已加工 成品的夹取放置（围为边长为1000mm）,机构简便、效率高，可控围大，
12、基座运用 齿轮传动，效率高，强度大，可调角度大，回转机构和俯仰机构都是 -60到 60。机 构所用零件便于加工,标准件较多,便于机构的组装,相应的成本也不高2.3机械手的机构形式基座的回转可以进行 360的回转,实现机器人本体除基座以外机构的转动（腰 部）；与基座相连的转动肩关节,可以带动大臂,小臂,手腕及工件的上下转动,幅 度较大,可以满足 60-120的俯仰要求（肩部）；与此相连部分为左右摇摆机构,能 够完成-6060度的左右来回摆动,可满足机器人工作空间上高度的要求（肘部） ；接着下去手腕的是俯仰机构和摆动机构,也可实现上下俯仰动作,也可完成左右摆 动,分别实现手爪的俯仰和摆动,角度围为
13、 -6060。机构采用齿轮传动控制各自 由度的动作, 简单方便且功率大, 各自由度之间相互联系且独立, 动作时互不干涉。2.4各关节的结构原理及分析根据功能要求，在设计研究时将其分为肩部机构，上臂机构，肘部传动机构， 前臂机构，手爪夹持机构。肩部机构实现肩关节的转动动作，电机转动，带动减速此轮传动机构，从而实 现肩关节的旋转运动。肘部传动机构实现关节屈 |伸动作。由上臂外层，上臂层，定位螺钉，电机，齿 轮组成。电机驱动小齿轮，通过小齿轮带动大齿轮，大齿轮与前臂机构固定连接， 从而实现肘关节的屈 |伸动作。前臂机构实现前臂的转 |外转和腕关节的外展 |收两个动作。有腕关节驱动电机， 前臂机构的外
14、壁与腕关节的壁的过渡套圈，腕关节壁，前臂机构的外壁，前臂机构 的外壁，前臂驱动电机，传动齿轮等组成。腕关节的旋转动作比较简单，因此可以 直接用小电机带动腕关节实现。前臂的转 |外转动作是通过前臂的电机驱动小齿轮， 带动大齿轮实现的。腕关节俯仰用电机驱动齿轮传动实现。2.5电机布局分析机器人的结构布局，对其综合性能有很大影响。首先看一下机器人本体主要部 件的布局。按照腰部关节转动的电机 1 就安装在机座上；但是对于驱动肩关节的电 机 2 则应该放置到底座部件上边。如果把电机 2 也同样安装在机座上，那么它的传 动则是一个问题， 因为电机 1 和电机 2 均在机座上，并且都要传动到腰部和肩关节，
15、无疑会增加基座和腰部的体积，而且在丝杆的传动中可以到达很高的速度，故把电 机 2 安装在机器人的顶部直接驱动齿轮。机器人的肘关节是通过同步带传动，对于 腕部的转动，则因为其需要的扭矩较小，故电机 3 的体积小，质量小，按照就近原 则,将其安装在小臂上，腕部的摆动依靠电机 4 传动齿轮实现，电机 4安装把其放在 手腕的末端。3机械手方案的创成和机械结构设计3.1 机械手机械设计的特点串联型机械手设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机械结 构学的角度来看，机械手的结构是有一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接 起来的开式运动链。开链结构使得机械手的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件
16、 坐标系之间的位置关系，末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系，末端执行器 的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般分析机构方法能解决 的了的，需要建立一套针对空间的开链机构的运动学，静力学方法。末端执行器是 运动学分析的主要容。其次，由于开链机构相当于一系列悬挂臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变 形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机械手机械设计时要特别注 意刚度和精度的设计。再次，机械手是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须考虑到驱动和 控制等方面的问题，这和一般的机械设计的产品设计不同。另外，与一般机械产品相比，机械手的设计在结构的紧凑性，灵巧性方面有更
17、高的要求。3.2与机械手有关的概念 7自由度：机械手一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有很多移动副和转 动副。相应的，与转动副相连的关节成为转动关节。以移动副相连的关节为移动关 节。这些关节中，单独驱动的关节为主动关节。主动关节的数目成为机械手的自由 度。机械手由于用途广泛 2，种类繁多，机构也多种多样，根据本体结构坐标系的 特点，大体上可分为：（1）直角坐标型 这种机械手具有三个互相垂直的移动轴线，它们通过手臂的上 下，左右移动和前后伸缩构成一个直角坐标系。其手腕能摆动和旋转。这种机械手 的机械结构和控制方式比较简单，精度较高，但操作围小，运动速度低，而且其适 应性比较差。(2)圆柱坐标
18、型 该机械手前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以 0, r, z为坐标，位置函数为P=f ( 0, r, z),其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向 的位移， 0是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。( 3)球坐标型 具有两个转动关节和一个移动关节。以 0，? ，y 为坐标，位置函数为P=f ( 0 ? , y),该型机器人的优点是灵活性好，占用面积小，但刚度，精 度较差。( 4)关节坐标型 有垂直关节型和水平关节型机械手 前三个关节都是回转关节 特点是动作灵活 工作空间大 占用面积小 缺点是刚度和精度较差。3.3方案设计3.3.1需求分析该机械手是针对流水作业上
19、成品的夹取及转移的 根据现场的实际需要 设计 的具体要求为：(1)抓取物件为直径为 50mm 的立方形产品 长度为 150mm。(2)抓取和放下的时间尽可能的短。(3)从机身中心500mm的边长为1000mm ,距离地面高度为500mm的正方形平 台上抓取成品 装在成品箱 即可。3.3.2机械手的自由度的分配本课题要求机械手臂能达到工作空间的任意位置和姿态 同时考虑到产品的长 度为 150mm 采用单臂机械手进行夹持和堆放 其中手爪的横向尺寸为 200mm 综合考虑后该机械手的五个自由度 其均为转动自由度 其中机身腰部一个自由度 大臂小臂各一个自由度 手腕处两个自由度。前三个关节决定了末端执行
20、器在空间的位置 后两个关节决定了末端执行器在 空间的状态。3.3.3方案的描述机械手本体由机座 大臂 小臂 手腕 末端执行器 和驱动装置组成。参考同 类机械手的性能参数 进行主尺寸和运动围的确定 考虑到机构可行前提下有尽可能大的作业围。根据设计的要求及使用的围，定出该型机械手的主要性能参数如表2-1所示，其中B1代表腰部转动角度，B2代表大臂俯仰角度，B3弋表小臂俯仰角 度，B4代表手腕起落角度，B5弋表手腕转动角度。表2-1机械手主要性能参数肩咼(mm)自由度大臂长(mr)小臂长(mr)腕部长度(mr)腰部直径(mr)9 19 29 39 49 51000-60-240225-345180-
21、270-60-9030-120500600100260根据其用途和特点提出如下技术参数：自由度数目：5个坐标形式：垂直关节型额定负荷质量(含末端执行器)：48kg最大活动半径：1280mm本体重量： 200kg各关节最大工作转速见下表2-2。表2-2各关节最大工作转速最大工作转速r/mi nrad/sc/s腰部回转关节101.0560大臂转动关节101.0560小臂转动关节101.0560腕部摆动关节202.1120腕部回转关节303.141803.3.4该方案结构设计与分析该机械手的本体结构组成如图 2-3图 2-3 成品装夹机械手本体组成各部件组成和功能描述如下：底座部件：底座部件包括底座
22、、齿轮传动部件、 轴承，步进电机等。 机座作用是支撑部件， 支承和转动大臂部件 , 承受机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强 度、刚度和承载能力。另外机座还要求有足够大的安装基面，以保证机械手工作时 的稳定运行。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件 （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）相配合， 以实现手臂的各种运动手臂分为大臂和小臂。大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。小臂 部件：包括小臂、传动轴、同步传动带等，在小臂一端固定驱动手腕运动的步进电 机。手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。末端
23、执行器：因 为抓取的坯料形状为长方体，载面积为，长度为，所以末端执行器设计得开合围。 考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。4机械手结构方案和驱动方案的选择根据本设计的要求，参考国外工业机器人的典型结构 ，初步对各个回转关节的结构和驱动方案单独分析。4.1腰部回转关节腰部外安放一驱动电机1,驱动部涡轮2涡杆3传动装置，实现竖直主轴4的转 动，从而实现大臂5,小臂6等工作部分的旋转自由度，如图3-1腰部设计，部传动， 如图3-3腰部部传动设计。1图3-1腰部设计1-电机1 5-大臂J图3-3腰部部传动设计2-蜗杆3-涡轮4-主轴4.2大臂和小臂转动关节在大臂与肩部连接关节处安装一驱动电机
24、7,带动与之相连的小齿轮8旋转，进 而带动与小齿轮8啮合的大齿轮9旋转，大齿轮旋转使得与之相连的轴10旋转，这 样最终转动大臂5,机构设计如图3-3大臂传动设计。而小臂与大臂之间用一同步 带11 （黑色）连接，当大臂5上轴旋转，便经由同步带使得小臂 6的轴旋转，最终 使得小臂6旋转起来，设计如图3-4小臂传动设计。图3-3大臂传动设计7-电机8-小齿轮9-大齿轮10-传动轴11-同步带图3-4小臂传动设计5-大臂6-小臂4.2.1机械手手臂的设计要求机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的 工作空间的运动。在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则 ；1应尽可能使机器人
25、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，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。工作空间的形状和大小 与机器人手臂的长度，手臂关节的转动围有密切的关系。但机器人手臂末端工作空 间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人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为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人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人手臂。目前，在国
26、外，也在研究用碳纤 维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其 比重相当于钢的1/4,相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性 及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前 比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与 刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。4.机器人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. 机器人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 提高机器人手臂运动的响应速度是非常有
27、利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能 利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量。6.机器人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。4.3腕部活动关节步进电机12的旋转驱动圆柱型装置13部直齿轮传动装置的传动，从而带动轴14的转动，便可实现手腕部分的旋转自由度，如图 3-5腕部转动设计。而用马达15 驱动小齿轮16转动，进而带动与之啮合的大齿轮 17转动，大齿轮的转动带动手腕 部分的上下俯仰摆动，如图3-6腕部俯仰设计。该方案的结构相对复杂，整体重量 也相对更重，但紧凑性更好，可以自由选择电机类型，
28、因此运用围也更广。图3-5腕部转动设计12-传动电机13-齿轮传动装置14-传动轴图3-6腕部俯仰设计15-传动电机16-小齿轮17-大齿轮4.3.1机器人手腕结构的设计要求1.机器人手腕的自由度数，应根据作业需要来设计 3。机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适 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，机器人的控制 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。一般的机器人手腕的自由度数 为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自
29、由度，仅凭受臂 和腰部的运动就能实现作业要求的任务。因此，要具体问题具体分析，考虑机器人 的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。2机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其 重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，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机器人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.机器人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。6.手腕各关节轴转动
30、要有限位开关， 并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。4.4机器人驱动方案的对比分析及选择 通常，机器人驱动方式有以下四种 4：（1）步进电机 可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低 廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具 有自锁能力（变磁阻式）和保持转矩（永磁式）的能力，有利于控制系统的定位。 但步进电机基本上不具有过载能力，功率偏大者，体积较大，并且其空间分辨率较 低；功率较小者，只适于传动功率不大的关节或小型机器人。（2）直流伺服电机 直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对 功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结
31、构复杂，体积偏大，成本较 高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要 考虑电刷放电对实际工作的影响。（3）交流伺服电机 交流伺服电机结构较简单，体积较小，运行可靠，使用维修 方便，价格比直流伺服电机便宜，但高于步进电机。随着可关断晶闸管 GT 0,大功率晶闸管 GTR 和场效应管 MOSFET 等电子器件、脉冲调宽技术和计算机控制 技术的发展，交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用 16 位CPU+32 位 DSP 三环（位置、速度、电流）全数字控制，增量式码盘的反馈可达 到很高的精度。 三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率， 提供很高的响应速度。（4）液压伺服马达 液压伺服马达具有较大的功率 /体积比，运动比较平稳，定位 精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要 求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较 高，而且其液压系统经常出现漏油现象，维护不方便。 由于本设计研究的机械手的额定负载一般，体积和重量均要求小，综合分析后，决 定采用混合式步进电机和交流伺服电机混合驱动。腰部、大臂和小臂要求动态特性 好、传动功率较大，采用交流伺服电机驱动；腕
