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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：
( 3)球坐标(极坐标)型机械手：
特点：操作机的手臂具有两个回转关节和一个移动关节，其轴线按极坐标系配置。 优缺点：结构紧凑，但其控制系统的设计有一定难度，且机械手臂的刚度不足，机械结构较为复杂。
结构图：
(4)多关节型机机械手。
特点：操作机的手臂类似人的上肢关节动作，具有三个回转关节。
优缺点：运动轨迹复杂，结构最为紧凑，但控制系统的设计难度大，机械手臂的刚度差。
结构图：
因为本次设计的三自由度机械手主要用来运输2流水线的零件，2者距离1000mm，这就要求机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小。根据上面4种坐标形式，我选择了圆柱坐标形式，这种形式比较符合这次设计的需要。图1-2-3是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。
图1-2-3机械手搬运物品示意图
1.2.3机械手的主要部件及运动
在圆柱坐在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有3个自由度既：手抓张合；手臂回转；手臂升降3个主要运动。本设计机械手主要由3个大部件：
（1）手部，采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。
（2）腕部，腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，采用一个回转液压缸实现手部回转。
（3）臂部，臂是机械手机构的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
（4）机身，机身是直接支承和传动手臂的部件。
1.2.4机械手的驱动元件
在机器人驱动系统中，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机以及最近几年出现的超声波电机和HD电动机等几种。
步进电机可直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过改变脉冲的频率来调速，能够快速起动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中无位置反馈的位置控制系统
中得到了广泛的应用。
直流伺服电机在机器人中应用也很广泛。常用它直接带动滚珠丝杠驱动关节手臂关节运动。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与一般动力用直流电机相同。按激磁方式直流伺服电机可分为永磁式、他激式、并激式和串激式等。在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.
交流伺服电机在机器人中的应用情况与置流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相.比，，功率大、过载能力强、无电刷、环境适应性好，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的发展方向。
低速电机主要用于系统精度要求高的机器人。为了提高功率体积比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率体积比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。HD电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。
通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文机械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的直流伺服电机作为驱动电机。
1.2.5机械手的技术参数列表
一、用途：搬运:用于传送带间搬运
二、设计技术参数:
1、抓重:40Kg (夹持式手部)
2、自由度数:5个自由度
3、座标型式:圆柱座标
4、最大工作半径:1000mm
6、手臂运动参数
回转范围：0~180°
目录
摘要 ................................................................................................................................................ 1
第一章 机械手设计任务书 ...................................................................................................... 1
1.1设计目的............................................................................................................................ 1
1.2本课题的内容和要求 ........................................................................................................ 2
第二章 抓取机构设计 ............................................................................................................... 3
2.1手部设计计算 .................................................................................................................... 3
2.2腕部设计计算 .................................................................................................................... 5
2.3臂伸缩机构设计 ................................................................................................................ 7
第三章 液压系统原理设计及草图 .......................................................................................12
3.1手部抓取缸...................................................................................................................... 12
3.2腕部摆动液压回路 .......................................................................................................... 13
3.3小臂伸缩缸液压回路 ...................................................................................................... 13
3.4总体系统图...................................................................................................................... 14
第四章 机身机座的结构设计 ............................................................ 错误！未定义书签。
4.1电机的选择....................................................................................... 错误！未定义书签。
4.2减速器的选择 ................................................................................... 错误！未定义书签。
4.3螺柱的设计与校核 ........................................................................... 错误！未定义书签。
第五章 机械手的定位与平稳性 ....................................................... 错误！未定义书签。
5.1常用的定位方式 ............................................................................... 错误！未定义书签。
5.2影响平稳性和定位精度的因素 ....................................................... 错误！未定义书签。
5.3机械手运动的缓冲装置 ................................................................... 错误！未定义书签。
第六章 机械手的控制 .............................................................................................................16
第七章 机械手的组成与分类 ................................................................................................18
7.1机械手组成...................................................................................................................... 18
7.2机械手分类....................................................................................... 错误！未定义书签。
参考资料 .....................................................................................................................................25
送料机械手设计
摘要
本课题设计的为通用圆柱坐标系机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题通过应用AutoCAD 、UG等技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，它能实行自动上料运动，自动搬运棒料。机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。
关键字 机械手，AutoCAD ，UG。
第一章 机械手设计任务书
1.1课程设计目的
《机电一体化系统设计》课程设计是大学生在完成《机电一体化系统设计》等专业课学习之后进行的综合性实践教学环节，总的目的是在老师的指导下，使学生通过课程设计，对所学的理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高，并运用所学的理论知识，通过调研，设计一个机电控制方面的课题，收到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力，具体有以下几点：
一、 通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资
料、实用资料的方法和能力。
二、 通过检索查阅课程理论知识，运用所学的基础课，专业技术课和专业课
知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案，分析具体问题，进行工程设计能力。
1.2本课题的内容和要求
设计通用圆柱坐标系机械手及控制系统。设计中的机械手各动作由液压缸驱动，并有电磁阀控制，技术指标如下：（1、）原始数据：
a、
b、
c、 抓重：200N-300N 自由度（四个自由度） 动作 符号 行程范围 速度
伸缩 X 400mm 小于250mm/s
升降 Z 300mm 小于70mm/s
回转 φ 0——120º 小于90º/s
d、
e、
f、
g、 手腕运动参数 手指夹持范围：棒料，直径50——70mm，长度450——1200mm 定位精度：±3mm。 控制方式：PLC 回转 φ 行程范围 0——180º 速度 小于90º/s
1.3设计内容及安排
a、熟悉任务，查阅资料
b、画出机械手装配图
c、画出液压控制原理图
d、根据控制要求，选择PLC型号及输入输出元件
e、画出PLC控制的输出输入接线图
f、完成梯形图和语句表的程序设计
g、整理设计说明书，答辩
（3、）要求
a、上述工作要求扎扎实实完成，绝不能打过场
b、培养独立思考的，独立动手，独立查阅资料，严谨治学、一丝不苟
的精神
c、培养独立分析问题、解决问题的能力
d、有关问题按照课程设计大纲要求进行
第二章 抓取机构设计
2.1手部设计计算
一、对手部设计的要求
1、有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏棒料的已加工表面。对于刚性很差的棒料夹紧力大小应该设计得可以调节，对于本应考虑采用自锁安全装置。
2、有足够的开闭范围
本机械手手部的手指有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。
图2.1 机械手开闭示例简图
3、力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
4、手指应有一定的强度和刚度
5、其它要求
对于夹紧机械手，根据工件的形状为圆形棒料，因此最常采用的是外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。
二、拉紧装置原理
如图2.2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。
图2.2 油缸示意图
不同用途的液压机械，工作条件不同，工作压力范围也不同。液压机床一般取2——8MPa，此处取4MPa，则
1、有机械手抓重为200——300N，有常识知道重物与机械手抓摩擦系数暂时定为f=0.15，表面粗糙度Ra都要求为1.6，则
Fmax=G/f=300/0.15=2000N
由于液压缸摩擦、惯性等存在因素的影响，Fmax>=2000N,即手爪的夹紧力F12000N
2.根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′ （2.2）
其中 N′=2000N，带入公式2.2得：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′
=(2150/50)（cos30º）²2000 =10392N
目录
中文摘要 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 英文摘要 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。
主要符号表 ........................................................................................................................................ 5
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 ......................................................................... 3
1.4 机械手的组成 ..................................................................................................................... 4
1.4.1 执行机构 .................................................................................................................. 4
1.4.2 驱动机构 .................................................................................................................. 4
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 .............................................................................................................. 9
3.1 手部设计基本要求 ............................................................................................................. 9
3.2 典型的手部结构 ................................................................................................................. 9
3.3机械手手抓的设计计算 ..................................................................................................... 9
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置 .................................................................................. 9
3.3.2 手抓的力学分析 ................................................................................................... 10
3.3.4 夹紧力及驱动力的计算 ....................................................................................... 11
3.3.5 手抓夹持范围计算 ............................................................................................... 12
3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .................................................................................. 13
3.5弹簧的设计计算 ................................................................................................................ 14
3.6 本章小结 ........................................................................................................................... 16
4 腕部的设计计算 ........................................................................................................................ 17
4.1 腕部设计的基本要求 ...................................................................................................... 17
4.2 腕部的结构以及选择 ...................................................................................................... 17
4.2.1典型的腕部结构 .................................................................................................... 17
4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ............................................................................... 18
4.3 腕部的设计计算 ............................................................................................................... 18
4.3.1 腕部设计考虑的参数 ........................................................................................... 18
4.3.2 腕部的驱动力矩计算 ........................................................................................... 18
4.3.3 腕部驱动力的计算 ............................................................................................... 19
4.3.4 液压缸盖螺钉的计算 ........................................................................................... 20
4.3.5动片和输出轴间的连接螺钉 ................................................................................ 21
4.4 本章小结 ........................................................................................................................... 22
5 臂部的设计及有关计算 ............................................................................................................ 23
5.1 臂部设计的基本要求 ...................................................................................................... 23
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .................................................................................. 24
5.2.1 手臂的典型运动机构 ........................................................................................... 24
5.2.2 手臂运动选择机构的 ........................................................................................... 24
5.3 手臂直线运动的驱动力计算 .......................................................................................... 24
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 ................................................................................... 24
5.3.2 手臂惯性力的计算 ............................................................................................... 26
5.3.3 密封装置的摩擦阻力 ........................................................................................... 26
5.4 液压缸工作压力和结构的确定 ...................................................................................... 26
5.5 本章小结 ........................................................................................................................... 28
6 机身的设计计算 ........................................................................................................................ 29
6.1 机身的整体设计 ............................................................................................................... 29
6.2 机身回转机构的设计计算 .............................................................................................. 30
6.3 机身升降机构的计算 ...................................................................................................... 34
6.3.1 手臂偏重力矩的计算 ........................................................................................... 34
6.3.2 升降不自锁条件分析计算 ................................................................................... 35
6.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 .......................................................... 36
6.4 轴承的选择方案 ............................................................................................................... 36
6.5 本章小结 ........................................................................................................................... 37 7 ADAMS 模型的建立与仿真 ................................................................ 错误！未定义书签。
7.1虚拟样机技术 ................................................................................... 错误！未定义书签。
7.2 ADAMS软件 ................................................................................... 错误！未定义书签。
7.3 手部模型的建立 .............................................................................. 错误！未定义书签。
7.4 本章小结 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 8 结论 ........................................................................................................... 错误！未定义书签。
主要符号表
FN 手指夹紧力 N
D 弹簧中径 mm D1
D2
C
n
M
M偏
t
FQ0
FQ 弹簧内径 弹簧外径 弹簧旋绕比 弹簧有效圈数 转动缸的回转力矩 偏重力臂 偏重力矩 螺钉间距 螺钉承受的拉力 工作载荷
mm mm Nmmm Nm mm N N
河南科技学院新科学院
2013届本科毕业论文（设 计）【工业机械手设计】
工业机械手的设计系统工作原理及组成
学生姓名：李攀
所在系别：机械工程系
所学专业：机械设计制造及其自动化
导师姓名：逄明华
完成时间： 2013/4/23
目录
第一章 引 言 .................................................... 1
1.1 工业机械手概述 ................................................................................... 1
1.2 气动机械手的设计要求 ........................................................................ 2
1.3 机械手的系统工作原理及组成 ............................................................. 2
第二章 机械手的整体设计方案 ...................................... 5
2.1 机械手的座标型式与自由度 ................................................................. 5
2.2 机械手的手部结构方案设计 ................................................................. 6
2.3 机械手的手腕结构方案设计 ................................................................. 6
2.4 机械手的手臂结构方案设计 ................................................................. 6
2.5 机械手的驱动方案设计 ........................................................................ 6
2.6 机械手的控制方案设计 ........................................................................ 7
2.7 机械手的主要技术参数 ........................................................................ 7
第三章 手部结构设计 .............................................. 8
3.1 夹持式手部结构 ................................................................................... 8
3.1.1手指的形状和分类 ....................................................................... 8
3.1.2设计时考虑的几个问题 ................................................................ 9
3.1.3手部夹紧气缸的设计 ................................................................... 9
第四章 手腕结构设计 ............................................. 13
4.1 手腕的自由度 .................................................................................... 13
4.2 手腕的驱动力矩的计算 ...................................................................... 13
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 ....................................................... 13
4.2.2回转气缸的驱动力矩计算 .......................................................... 15
4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 ...................................................... 15
第五章 手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核 .................. 18
5.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核 ........................................................ 18
5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计 ......................................................... 18
5.1.2 尺寸校核 .................................................................................. 18
5.1.3 导向装臵 .................................................................................. 18
5.1.4 平衡装臵 .................................................................................. 18
5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核 ........................................................ 19
5.2.1 尺寸设计 .................................................................................. 19
5.2.2 尺寸校核 .................................................................................. 19
5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核 ........................................................ 19
5.3.1 尺寸设计 .................................................................................. 19
5.3.2 尺寸校核 .................................................................................. 19
第六章 气动系统设计 .............................................. 21
第七章 机械手的PLC控制系统设计 ................................. 23
7.1 可编程序控制器的选择及工作过程 .................................................... 23
7.1.1 可编程序控制器的选择 ............................................................. 23
7.1.2 可编程序控制器的工作过程 ...................................................... 23
7.2 可编程序控制器的使用步骤 ............................................................... 24
7.3 机械手可编程序控制器控制方案 ........................................................ 24
7.3.1 控制系统的工作原理及控制要求 ............................................... 24
7.3.2 气动机械手的工作流程（如图7-1所示） ............................... 25
7.3.3 I/0分配 ................................................................................... 26
7.3.4 梯形图设计 ............................................................................... 27
第八章 结 论 .................................................... 30
致 谢 .......................................................... 31
参考文献： ....................................................... 32
第一章 引 言
1.1 工业机械手概述
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臵构成，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。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、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，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。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臵，是附属于该机床的专用机械手。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小批量生产中获得广泛的引用。
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质来源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
气动技术有以下优点:【工业机械手设计】
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设臵回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
(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)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建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)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、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、电器及液压系统优越，而且不会因温度
变化影响传动及控制性能。
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