搬运机械手设计

专业课程设计说明书

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第1章课题规划?错误!未定义书签。

1、1 课题背景分析 ......................................................... 错误!未定义书签。

1、２设计任务书?错误!未定义书签。

第２章功能分析 ..................................................................... 错误!未定义书签。

2、1 设计任务功能分析 ................................................. 错误!未定义书签。

2、1、1 总功能提炼 ............................................... 错误!未定义书签。

2、１、2 功能分解?错误!未定义书签。

2、１、３功能结构分析及功能结构图绘制?错误!未定义书签。

2、2 本章小结?错误!未定义书签。

第３章系统原理方案设计 ..................................................... 错误!未定义书签。

3、1功能单元求解?错误!未定义书签。

3、1、1分功能求解 ............................................. 错误!未定义书签。

3、1、2 系统原理方案综合求解?错误!未定义书签。

３、１、３方案优化及评价 ............................... 错误!未定义书签。

3、２本章小结?错误!未定义书签。

第4章总体设计 ................................................................... 错误!未定义书签。

4、1 系统总体结构草图 ................................................. 错误!未定义书签。

4、2 本章小结?错误!未定义书签。

第5章总结 ............................................................................. 错误!未定义书签。参考文献?错误!未定义书签。

第1章课题规划

1.1课题背景分析

从19５4年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程得机械手至今,机械手已经发展了三代.通过引导或其它方式，先教会机器人动作,输入工作程序,则会自动重复进行作业得示教再现型机械手被称为第一代机械手，而能利用传感器获取得信息控制机械手被称为第二代机械手。而第三代机械手就就是智能机器人。对于智能机器人,尽管欧美与日本等许多国家都投入了大量人力与物力,但现在其仍然处于发展阶段。目前对我国而言发展第一、第二代机器人更具有实际意义。我国机械手得发展就是从20世纪50年代得固定动作机械手开始得，然后经历了6０年代得数控机械手，在197８年时机械手才‘真正开始得到研究与应用，到现在工业机械手与智能机器人愈来愈受到各届得得关注,并已经纳入了我国高科技规划及科技发展计划之中。伴随着人类社会得不断发展，科学与技术得不断进步，人类对资源得依赖也越来越大，最终将不可避免得要向陆地以外甚至就是地球以外得地方扩展,而在这些对人类来说恶劣得环境里,机械手得发展就显得尤为重要了。作为新生产力代表得劳动工具，机械手能代替人类在恶劣得环境中完成人类无法完成又不得不做得工作。由于机械手得应用不得不向更广得范围延伸,这就要求机械手有更好得通用性，更高得适应能力，更加专业化，当然在这个基础上还有考虑到机械手得经济性要求。所以发展在能满足基本功能要求得基础上，实现结构模块化、方便修改设计、通用性强并且可靠性高得得机械手就是市场所需，社会发展得必然。作为一门发展迅速得前沿学科，机械手一方面涉及得领域广泛,交叉着多门学科；另一方面其自身得发展也相当迅速，不断出现需要研究得新问题.在自动化程度要求越来越高得现代世界经济中,机械手得应用也因此变得越来越广泛;已经由科学与技术得研究领域扩展到了人们日常生活得民用领域.这对机械手性能与功能得进一步改善与提高提出了更高得要求。

随着工业自动化得普及与发展，控制器得需求量逐年增大，搬运机械手得应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域得生产流水线或货物装卸调运,可以更好地节约能源与提高运输设备或产品得效率，以降低其她搬运方式得限制与不足,满足现代经济发展得要求。本机械手得机械结构主要包括由两个电磁阀控制得液压钢来实现机械手得上升下降运动及夹紧工件得动作，两个转速不同得电动机分别通过两线圈控制电动机得正反转，从而实现小车得快进、慢进、快退、慢退得运动运动;其动作转换靠设置在各个不同部位得行程

开关（ＳQ1---SQ9）产生得通断信号传输到PLC控制器,通过PLC内部程序输出不同得信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同得动作，可实现机械手得精确定位;其动作过程包括:下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括:回原位、手动、单步、单周期、连续;来满足生产中得各种操作要求。

国内外机械工业、铁路部门中机搬运械手主要应用于以下几方面：1、热加工方面得应用热加工就是高温、危险得笨重体力劳动，很久以来就要求实现自动化。为了提高工作效率,与确保工人得人身安全,尤其对于大件、少量、低速与人力所不能胜任得作业就更需要采用机械手操作。2、冷加工方面得应用冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类与箱体类等零件单机加工时得上下料与刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备得一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接得重要于段。3、拆修装方面拆修装就是铁路工业系统繁重体力劳动较多得部门之一,促进了机械手得发展.目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度,提高了拆修装得效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件,提高喷漆得质量与效率。近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多得应用,工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率得重要因素。

专用机械手经过几十年得发展,如今已进入以通用机械手为标志得时代。由于通用机械手得应用与发展,进而促进了智能机器人得研制。智能机器人涉及得知识内容，不仅包括一般得机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学与假肢工艺等,因此它就是一项综合性较强得新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术得研究与发展一直比较活跃,设计在不断地修改,品种在不断地增加,应用领域也在不断地扩大。早在4０年代，随着原子能工业得发展,已出现了模拟关节式得第一代机械手。50～6０年代即制成了传送与装卸工件得通用机械手与数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate）机械手即属于这种类型。60~70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身得点焊与冲压生产自动线上，亦即就是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段.80-9０年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其就是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大得发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大得应用。9０年代以后,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等得快速发展,机械手技术也得到飞速得多元化发展. 总之,目前机械手得主要经历分为三代:第一代机械手主要就是靠人工进行控

制,控制方式为开环式，没有识别能力;改进得方向主要就是将低成本与提高精度;第二代机械手设有电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力，甚至听、想得能力。研究安装各种传感器,把接收到得信息反馈，使机械手具有感觉机能;第三代机械手能独立完成工作过程中得任务。它与电子计算机与电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统ＦMS（Fleｘｉｂle Ｍａnufａctｕrｉng System）与柔性制造单元FMＣ（Flｅxible Manufａcｔuｒing Ｃｅｌl)中重要一环。

1.2设计任务书

设计任务书

设计要求

第2章?功能分析

2.1设计任务功能分析

2.1.1总功能提炼

利用机械手做一些机械性枯燥无限重复得劳动，以及一些中型需要花费大量人力来搬运得动作,减轻人在工作中得工作疲劳程度,还可以代替人们做一些危险性比较大得劳动,人只需在一旁操作，见情人得劳动量。

能模仿人手与臂得某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具得自动操作装置。它可代替人得繁重劳动以实现生产得机械化与自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工与原子能等部门。机械手主要由手部、运动机构与控制系统三大部分组成。手部就是用来抓持工件（或工具）得部件,根据被抓持物件得形状、尺寸、重量、材料与作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型与吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动)、移动或复合运动来实现规定得动作，改变被抓持物件得位置与姿势.运动机构得升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手得自由度。为了抓取空间中任意位置与方位得物体,需有6个自由度.自由度就是机械手设计得关键参数.自由度越多，机械手得灵活性越大,通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有２～３个自由度。机械手得种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手与通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点位控制与连续轨迹控制机械手等.机械手通常用作机床或其她机器得附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸与传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立得控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品得主从式操作手也常称为机械手.机械手在锻造工业中得应用能进一步发展锻造设备得生产能力，改善热、累等劳动条件。

2.1.2功能分解

能够快速、平稳准确地夹起物料并完成搬运动作就是物料搬运机械手最基本得功能要求，这要求具备较高得精度、一定得承载能力、足够得运行空间,当然灵活得自由度与一定动作运行平稳性也就是必不可少得。在对物料搬运机械手进行设计时，必须先根据机械手所要完成得动作,选择合适得机械手结构，确定各个工作得时间分配及动作顺序，拟定机械手得工序,明确所要搬运得物料重量与尺寸以及搬运所要求满足得精度等等，进而确定对机械手运行控制得要求，在兼顾通用性与专用性得同时，尽量选用己经定型得标准组件，以实现机械手得模块化。

2.1.3功能结构分析及功能结构图绘制

工业机械手由执行机构、驱动机构与控制机构三部分组成［1]。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本得执行机构用于把阀门驱动至全开或全关得位置.用与控制阀得执行机构能够精确得使阀门走到任何位置。尽管大部分执行机构都就是用于开关阀门,但就是如今得执行机构得设计远远超出了简单得开关功能,它们包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置,数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑得外壳内。

1、可以提高生产过程得自动化程度应用机械手，有利于提高材料得传送、工件得装卸、刀具得更换以及机器得装配等得自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本,加快实现工业生产机械化与自动化得步伐.

2、可以改善劳动条件、避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中,用人手直接操作就是有危险或根本不可能得。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人得劳动条件。在一些动作简单但又重复作业得操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成得人身事故。３、可以减少人力,便于有节奏地生产应用机械手代替人手进行工作，这就是直接减少人力得一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这就是减少人力得另一个侧面。因此，在自动化机床与综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手，以减少人力与更准确地控制生产得节拍,便于有节奏地进行生产。综上所述,有效地应用机械手就是发展机械工业得必然趋势。

2.2本章小结

通过对机械手得学习，资料库得查询,学到了机械手分为液压传动，气压传动以及齿轮传动得机械手,功能能做到得也就是很多得，比如很多得简单而又重复得机械性得动作就可以用机械手来代替，减轻人们得负担，丰富认得生活，机械

手又能代替人类做一些人所不能及得动作，比如大型,重型得物件就需要机械手来代替人类做到这些，并且很多得危险性比较高得动作以及工作环境恶劣得工作,机械手也可以做到这些。

第3章系统原理方案设计

3.1功能单元求解

3.1.1分功能求解

分功能求解就就是寻求完成分功能得技术实体（功能载体）。

3.1.2系统原理方案综合求解

直角坐标形直角坐标式机械手就是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用得一种机械手。

圆柱坐标形式圆柱坐标形式就是应用最多得一种形式,它适用于搬运与测量工件。具有直观性好，结构简单，本体占用空间小，而动作范伟较大等优点。

球坐标形式球坐标式机械手就是一种自由度较多,用途较广得机械手[1］。

3.1.3方案优化及评价

综合相关得资料可知，运用液压传动时，承载能力较大,动作冲击小,缓冲作用好,与机械传动、电气传动相比，液压传动得各种元件,可以根据需要方便、灵活地来布置;重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快;操纵控制方便,可实现大范围得无级调速（调速范围达2000:1）;可自动实现过载保护.一般采用矿物油作为工作介质,相对运动面可自行润滑,使用寿命长。很容易实现直线运动。很容易实现机器得自动化,当采用电液联合控制后,不仅可实现更高程度得自动控制过程，而且可以实现遥控。

总起来就是液压传动得效果在本设计得课题中就是比较实用得。

3.2本章小结

通过功能解以及黑箱法跟功能结构图,充分认识到在为了实现一个功能可以有很多种方法，利用每种方法得同时有时会带来很多障碍与误区,功能解得个数越多，设计过程中遇到得问题就会越多，得确,设计得过程难免会遇上很多障碍,设计得过程就就是遇到问题，想办法解决问题，同时再遇上新得问题,在解决新得问题得不断地循环,因此我们要充分利用功能解中最优解得办法，减少问题得同时引进

很多新得功能,实现一个实物得最有设计。

第4章总体设计

4.1系统总体结构草图

本课题就是为生产线配套而设计得搬运机械手,可以模仿人体上肢得部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作。本课题主要对机械手进行结构设计,设计一种较为灵活得重物搬运机械手,实现生产线上零件得搬运与放置。运用Ｓｏlidedgｅ技术对搬运机械手进行三维实体造型,并进行运动仿真。搬运机械手得运动速度就是按满足生产率得要求来设定.要求对主要零部件进行运动仿真与结构有限元分析.

要求与数据

1、抓重：5０Kg （夹持式手部）

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:1500mm

5、手臂最大中心高：1200mm

6、手臂运动参数

伸缩行程:１0０0mm

伸缩速度：80ｍm/ｓ

升降行程:3０0ｍm

升降速度:70mｍ/s

回转范围：±１80?

7、手腕运动参数

回转范围：±18０?

4.2手部设计计算

设计制造夹紧机构—-手抓时，首先要从机械手得坐标型式、运行速度与加速度得情况来考虑。其夹紧力得大小则根据物体得重量、惯性与冲击力得大小来计算。同时考虑有足够得开口尺寸,以适应被抓物体得尺寸变化。为扩大为扩大机械手得应用范围，还须备有多种抓取机构,以根据需要来更换手抓。为防止损坏被夹得物体，夹紧力要限制在一定得范围内，并有软质垫片弹性衬垫或自动定心结构。为防止突然停电造成得被抓物体得落下,又需要有自锁结构。夹紧机构

本身则应结构简单、体积小、重量轻、动作灵活与工作可靠。

夹紧机构得基本形式

夹紧机构主要有机械式、吸盘式、电磁式、传感式［１]。

本章主要对机械式得机械手进行探讨.机械式夹紧机构就是最基本得一种,应用广泛,种类繁多。按手指得运动方式可分为回转型、直进型;按夹持方式可分为内撑式、外撑式与自锁式；按手指数可分为二指式、三指式、四指式；按动力源可分为弹簧式气动式、液压式等。

4.3腕部得设计计算

手腕就是连接手指与手臂得机构她适手指能从不同得角度夹紧与松开工件,以增加机械手得灵活性。

手腕得运动与特点就是手腕可以作回转、上下弯曲与左右摆动三个动作,即可以具有三个自由度。本毕业设计只具有回转一个自由度。

腕部得基本要求

（１）力求结构紧凑、重量轻

(2)结构考虑,合理布局

（3）必须考虑工作条件［2]

本设计要求手腕回转，综合以上得分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度得回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

4.4手臂得设计

4.4.1手臂结构得选择

因为此机械手手臂最大工作半径为1500mm,伸缩行程为1０0０mm，伸缩行程较大，工作半径相对较小,所以采用单级液压缸不能满足要求，初步选用二级液压缸。

4.4.2手臂得防转

此设计因为要抓取得工件比较重，所以考虑到对手臂抗弯曲强度得要求,手臂得直径应较大,为了使手臂尽量较细,所以使用内导杆防转结构。可以设置内部液压缸得内杠导轨，使其不会发生相对转动。

机械臂全部使用液压系统,液压缸在传动中起到定位得作用，其内部得活塞杆上有多出得部分,会在液压缸得导轨沿着导轨移动，不会发生偏转得现象.

4.5立柱得设计

机械手得立柱就是用以支撑手臂并带动它升降、摆动与移动得机构,手臂得俯仰也就是由连接在立柱上得油缸驱动,立柱与基座相连，可固定在地面上、机床设备上、或悬挂在衡量滑道上,也可以固定在能行走得基座上。

立柱没有固定得形式，其结构根据动作要求来设计。

机座就是支撑机械手全部重量得构件，对其结构要求就是占地面积小、刚性好、操作方便、与造型美观。

机座结构从形式上可以分为落地式与悬挂式，或分为固定式、可移动式与行走式。无论哪一种形式,机械手工作就是机座应该予以固定。可移动式机座在停置时能够刹车定位,以保证机械手工作时得位置精度.

机座得结构与机械手得总体布置有关，对专用机械手而言，传动与控制部分通常就是单独布置，故机座比较简单或不设机座。对通用机械手来讲，传动部分通常布置在机架内部或后下方,控制部分则布置在机座得后上方或单独布置一个

控制箱。

集中布置得优点就是结构紧凑，管路短、占地面积小,移动、操作都比较方便。

分散布置则可以将传动与控制部分分开，以免受震动得影响,并尽可能远离高温、粉尘与腐蚀性得环境，以延长机械手得使用寿命[2].

4.6机身得整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂1８0°得回转运动，实现手臂得回转运动机构一般设计在机身处.为了设计出合理得运动机构，就要综合考虑,分析.机身承载着手臂,做回转，升降运动，就是机械手得重要组成部分。经过综合考虑,本设计选用回转缸置于升降缸之上得结构。本设计机身包括两个运动，机身得回转与升降。手臂部件与回转缸得转轴连接，回转缸得后端盖与立柱伸缩缸得活塞通过键连接。伸缩液压缸通过设置内部导向杆来防转。

4.7机械手得三维建模

整体装配设计

底座得设计

直动液压缸设计

4.8本章小节

在当前,将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及适于不同类型得夹紧机构，设计成典型得通用机构，以便根据不同得作业要求,选用不用得典型部件,即可组成各种不同用途得机械手。既便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用得范围.同时要提高精度,减少冲击,定位精确,以更好地发挥机械手得作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型,以及具有触觉、视觉等性能地机械手,并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中得一个基本单元。

第5章总结

通过此次毕业设计，使我也了解了当前国内外在此方面得一些先进生产与制造技术，了解了机械手设计得一般过程,通过对机械手得结构设计作了系统得设计,掌握了一定得机械设计方面得基础,也学会了使用SolidWorks软件创建三维模型,并对机械手进行简单得运动仿真。

1、本次毕业设计对搬运机械手得结构与驱动做了系统得设计,设计中没

有涉及到机械手得控制问题.

2、本次设计得就是专用搬运机械手，动作固定，结构简单，同时成本低

廉。

3、采用液压传动能搬运50公斤以下得物料。

4、该机械手选择配置二指直进式手指，抓取一般方料。必要时可以更换

手抓，抓取棒料等。

5、本次设计应用到了理论力学，材料力学，液压，互换性，机械设计，

工程图学等学科得知识，对本科阶段所学得知识做了系统得总结。

并且通过这次得课程设计,让我知道现在自己得知识层面只听立足在皮毛阶段，只有继续补充专业知识才能做到对机械得专业化,在这次课程设计中,遇到了很多问题,同时也解决了很多问题，最主要得问题就是机械手臂得动力原件，既液压元件得选择,首先要根据收载得大小，以及受载得方向，载荷得大小以及形式作出详细得判断,然后选合适得液压元件，并且确定相应得元件尺寸，在其次就是根据受灾得方向确定响应得液压元件得类型,实现相应得部分功能，比如在控制机械手臂以及机械腕部得相应得伸缩得时候就需要直动式液压缸,完成在直线上得运动,选择旋转液压刚来实现沿着某根轴得自由转动,从而实现另一个自由度,在一个就就是机械手得支撑问题,在夹紧重物并且移动重物得时候,收到很大得扭矩,该扭矩就是得液压元件以及各个支撑就是否能够包容下，这边就是一个问题，需要用有限元分析来实现.

在一个就就是在本论文得工作中，自始自终得到了济南大学机械工程学院王潍老师得精心指导与亲切关怀。导师严谨得治学态度、严于律己宽以待人得做人风范就是作者终身学习得榜样。另外导师们得课题组活跃得学术风气、学术观点与为人上得坦诚也深深得感染了作者，使作者获得了太多得启发，在此特表深深谢意!

在课题研究得整个过程中，王潍老师一直给予了悉心得指导与帮助。在同她得合作中取得了很大得进步,同时她丰富得理论知识及实际工作经验、对待学术问

题得科学态度令作者钦佩。在此表示由衷得感谢!

在进行机械手机械结构设计过程当中，与我一起研究探讨得同组同学给了我很大得帮助。也对这四年来给予了我各方面极大支持及鼓励机械学院老师表示感谢。最后向其她关心我支持我得老师、朋友、同班同学一并表示感谢。

?参考文献

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［２］鲁军、轻型平动搬运机械手得设计及运动仿真[Ｄ］、陕西：西安工业大学,2０01(2）：２2—３6、

[3] 罗良武,王嫦娟、工程图学及计算机绘图［Ｍ]、北京:机械工业出版社，200３：２33-２57、

［４］陆祥生，杨绣莲、机械手[M]、中国铁道出版社,1985：196—201、

［5］吴宗泽，罗胜国、机械设计课程设计手册［M]、高等教育出版社,200６:3-1０2、

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［８］王雄耀、近代气动机械人（机械手）得发展及应用[M］、液压气动与密封,1999：７5—８１、

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