單臂回轉(zhuǎn)式機械手機械系統(tǒng)的設(shè)計

1、畢業(yè)論文學學 生生 姓姓 名：名： 學學 號：號： 所所 在在 學學 院：院： 專專 業(yè)：業(yè)： 設(shè)計設(shè)計( (論文論文) )題目：題目： 指指 導(dǎo)導(dǎo) 教教 師：師： 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計單臂回轉(zhuǎn)式機械手機械系統(tǒng)的設(shè)計單臂回轉(zhuǎn)式機械手機械系統(tǒng)的設(shè)計摘摘 要要在工業(yè)生產(chǎn)中間，機械手可以代替人的繁重勞動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作，這樣子能夠保護人身安全，很大程度提高勞動效率和改善工人工作環(huán)境，在很多方面都體現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢，因而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。本次所設(shè)計的機械手，為單臂回轉(zhuǎn)式機械手，對機械手的要求是搬運一個一千克的鐵塊，從一個平臺到另一個平臺，旋轉(zhuǎn)過的角度為

2、90 度。從上面的這些條件可以看出，對于機械手結(jié)構(gòu)的選取就比較的多樣化。我們可以選擇圓柱坐標型的，也可以選擇較為復(fù)雜的球坐標型和關(guān)節(jié)型。根據(jù)對機械手的運動部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計及選型，以及選定的夾持的方式，我們定出了機械手的總體結(jié)構(gòu),其中包括兩個相互平行的液壓缸和一個旋轉(zhuǎn)的氣壓缸、電磁鐵吸附裝置、支座和底座。兩個液壓缸用于升降運動，氣壓缸用于回轉(zhuǎn)運動，夾持器主要部分為一個吸附式電磁鐵。此次設(shè)計中機械手動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，易于拆裝，可用于機械設(shè)計和液壓相關(guān)課程實驗教學中的演示和拆裝練習。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：機械手 圓柱坐標型 液壓缸 氣壓缸 吸附式 南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計The design

3、of the mechanical system of the Single Arm Rotary ManipulatorAbstract During the industrial production, the manipulator can substitute the heavy working of the workers, which can undergo the hazardous conditions, to realize the mechanization and automation of the production. According to these, the

4、manipulator can ensure the personal safety, improve the effectives of the production and ameliorate the working conditions of workers. In many aspects, the manipulators reflect its irreplaceable advantages to be used widely in the industrial production. The manipulator designed in this paper is a si

5、ngle arm rotary manipulator, which requires the manipulator to move a kilogram of the iron from one platform to another, the rotation angle is 90 degrees. As the selection of the manipulators structure is diversification, we can choose the cylindrical coordinate type, or we can choose the more compl

6、ex one, the ball coordinate type or the joint type. According to the design and the selection of the motion part structure of the manipulator, and the determined clamping way, we define the overall structure of the manipulator, which including a pneumatic cylinder and two hydraulic cylinders which a

7、re mutually parallel, an electromagnet adsorbing device, bearing and a base. The hydraulic cylinders are respectively used for the lifting movement and the pneumatic cylinder is for the turning movement. The holders main part is an adsorption type of the electromagnet. In this paper, the designed ma

8、nipulator has following advantages: the motion is fixed, the structure is simple, the reliability is high and the manipulator is easy to assemble and disassemble. The manipulator can be used in the related mechanical design and hydraulic course for the experiment teaching, as the demonstration and d

9、isassembly practice. KeywordsKeywords: manipulator, cylindrical coordinate type, hydraulic cylinder, pneumatic cylinder, absorption 第一章 序言II南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計目目 錄錄摘要摘要-ABSTRACT-ABSTRACT-第一章第一章 序言序言-1-11.1 概述.11.2 機械手的簡介.1 1.2.1 機械手的應(yīng)用 .11.2.2 機械手的通常結(jié)構(gòu)及其特點 .21.2.3 機械手的結(jié)構(gòu).3 1.2.4 機械手的發(fā)展.4第二章第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)

10、的設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計-6 621 回轉(zhuǎn)式機械手總結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 .622 回轉(zhuǎn)式機械手回轉(zhuǎn)部分的機械設(shè)計.823 回轉(zhuǎn)式機械手的大臂的機械設(shè)計 .1024 回轉(zhuǎn)式機械手的小臂的機械設(shè)計 .1125 回轉(zhuǎn)式機械手的抓取部分的機械設(shè)計 .1326 回轉(zhuǎn)式機械手立柱部分的設(shè)計 .1427 回轉(zhuǎn)式機械手底座部分的設(shè)計 .15第三章第三章 回轉(zhuǎn)機械手的系統(tǒng)的仿真回轉(zhuǎn)機械手的系統(tǒng)的仿真-1717南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計第四章第四章 總結(jié)總結(jié)-1919參考文獻參考文獻-20-20謝謝 辭辭-2222第一章 序言0第一章 序 言1.11.1 概述概述關(guān)于機械手，就是用來再現(xiàn)人手功能的技術(shù)裝置1。

11、機械手是指能模仿人手和臂的某些動作功能，用來按照固定的程序抓取，搬運物件或操作工具的自動操作的裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中間，機械手可以代替人的繁重勞動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作，這樣子能夠保護人身安全，很大程度提高勞動效率和改善工人工作環(huán)境，在很多方面都體現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢，因而在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛,如圖 1-1 所示，為一般的工業(yè)機械手在工作時候的情況。2圖 1-1 工業(yè)機械手工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中新出現(xiàn)的一項技術(shù)，已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中一個重要組成部分，并逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手系統(tǒng)涉及到力學、機械學、液壓與氣壓技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機等

12、科學領(lǐng)域，是一項跨學科綜合技術(shù)。1.21.2機械手的簡介機械手的簡介 1.2.11.2.1 機械手的應(yīng)用機械手的應(yīng)用 目前而言，國內(nèi)外機械工業(yè)中機械手主要應(yīng)用于以下幾個方面。第一，在熱加工方面的應(yīng)用。熱加工是高溫、危險、笨重的體力勞動，在很早之前，就要求實現(xiàn)自動化。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計1為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其是對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機械手操作。第二為冷加工方面的應(yīng)用。冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工

13、生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。第三為拆修裝方面的應(yīng)用。拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門， 已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率3。近些年， 隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用， 工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.2.21.2.2機械手的通常結(jié)構(gòu)及其特點機械手的通常結(jié)構(gòu)及其

14、特點工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式，主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)共4種【4】。(1)直角坐標機器人結(jié)構(gòu)。直角坐標機器人的空間運動，是用3個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖l-2-2a。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度(m級)。(2)圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)。圓柱坐標機器人的空間運動，是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖l-2-2b。這種機器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。(3)球坐標機器人結(jié)構(gòu)。球坐標機器人的空間運動，是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1-2-2c。這種機器

15、人結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。(4)關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)型機器人的空間運動，是由3個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖1-2-2d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。第一章 序言2圖 1-2-2 四種機器人坐標形式1.2.31.2.3 機械手的結(jié)構(gòu)機械手的結(jié)構(gòu)機械手主要由手部，運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成的。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀，尺寸，重量，材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如

16、夾持型5和吸附型6等。其中夾持型比較通用，可以根據(jù)工件的外形特點設(shè)計與之相符合的夾具與之相匹配；吸附型又分成真空吸附和電磁吸附，它們分別試用于表面光滑工件和鐵磁性材料工件。如圖 1-2-3 為吸附式電磁鐵機械手在工業(yè)中工作的情況。圖 1-2-3 吸附式機械手南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計3運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動，移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢7。運動機構(gòu)能夠使手部完成各種動作（擺動或轉(zhuǎn)動）、移動或者復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的要求，從而達到改變被抓持物件的位置和姿勢的目的。運動機構(gòu)的升降、伸縮和旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度7。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，自由度

17、越多，機械手的靈活性越好，通用性越廣，但其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。6 個自由度的機械手可以抓取空間中任意位置和姿勢的物體，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求也相對較高。一般專用機械手 23 個自由度89就已經(jīng)足夠了。控制部分1012是實現(xiàn)機械手自動或半自動運行的模塊，在沒有人直接參與的情況下，由控制器按既定程序操作機械手進行作業(yè)。目前比較常見的是通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC13）來實現(xiàn)機械手的自動化控制。控制系統(tǒng)，是機械手系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是使得工業(yè)機械手能夠按照預(yù)定的動作正確地完成每一個 動作。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)，一般都包括主控系統(tǒng)與定位系統(tǒng)。

18、1.2.41.2.4 機械手的發(fā)展機械手的發(fā)展（1）重復(fù)高精度精度是指機器人、機械手到達指定點的精確程度它與驅(qū)動結(jié)構(gòu)的分辨率以及反饋信息息系統(tǒng)準確度有關(guān)。重復(fù)精度14是指如果動作重復(fù)多次，機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。（2）模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊

19、化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手運動自如。模塊化機械手使同一機械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。文獻19中醫(yī)用微型機器人與機械臂的配合使用就是模塊化的典型使用。第一章 序言4（3）智能化機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)

20、用。（4）機電一體化由“可編程序控制器傳感器液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制” ；省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而 PLC的輸出功率在增大，由 PLC 直接控制線圈變得越來越可能13-18。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，機械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，同時也已開始擴大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中。而且，隨著人類生活水平的提

21、高及文化生活的日益豐富多彩，未來各種專業(yè)服務(wù)機器人和家庭用消費機器人將不斷貼近人類生活，其市場必將繁榮興旺。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計5第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計6第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計2 21 1回轉(zhuǎn)式機械手總結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手總結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計 本次所設(shè)計的機械手，為單臂回轉(zhuǎn)式機械手，對機械手的要求是搬運一個一千克的鐵塊，從一個平臺到另一個平臺，旋轉(zhuǎn)過的角度為90度。從上面的這些條件可以看出，對于機械手結(jié)構(gòu)的選取就比較的多樣化。我們可以選擇圓柱坐標型的，也可以選擇較為復(fù)雜的球坐標型和關(guān)節(jié)型。由于我們這次設(shè)計的機械手，主要是用于教學方面的，對精度的要求并不大，而且其

22、只要求機械手能夠抓取物件進行回轉(zhuǎn)的運動。所以我們可以簡化這次的機械手結(jié)構(gòu)。而在眾多的結(jié)構(gòu)之中，圓柱坐標型成為了比較不錯的選擇，即如圖1-2-2中b所示。這種結(jié)構(gòu)相對而言結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，能夠較容易地實現(xiàn)回轉(zhuǎn)和抓取的運動要求。因此，本次所設(shè)計的機械手采用圓柱坐標式。機械手的運動是以一個回轉(zhuǎn)和兩個直線運動來實現(xiàn)的。 在選定了使用圓柱坐標式機械手后，我們可以把機械手的運動劃分為三個部分，機械手的運動有：回轉(zhuǎn)運動；提升工件的運動；抓取工件的運動。而對于這三個部分，我們可以設(shè)計出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。這樣，也使得設(shè)計的任務(wù)簡化為幾個有效而且簡潔的目標。這樣思路也比較清晰，而且對于部件的選取也

23、更加具有可行性和可操作性。 一般而言，手臂的回轉(zhuǎn)與升降通常是通過立柱的運動來實現(xiàn)的，在本次的設(shè)計中，我們把機械手的回轉(zhuǎn)和上升都集中在立柱上，由于這次設(shè)計所采用的材料為鋁合金，而且所要抓取的工件為1kg，所以提升的重量不是太大，于是我們把立柱設(shè)計為能夠使得大臂進行回轉(zhuǎn)和提升整個機械手的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中，我們把立柱的回轉(zhuǎn)與提升分開，分別由一個旋轉(zhuǎn)氣壓缸和一個伸縮的液壓缸來實現(xiàn)。而在小臂上面，我們則安置了一個液壓缸，這樣是方便抓取機構(gòu)能夠簡易的抓取物體。回轉(zhuǎn)式機械手的簡要的原理圖，如圖2-1：南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計7圖 2-1-1 機械手原理圖根據(jù)上面對機械手的運動部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計及選型，以及選

24、定的夾持的方式（我們將在 2.5 中設(shè)涉及） ，定出機械手的總體結(jié)構(gòu)（如圖 2-1-2、2-1-3）,其主要包括兩個相互平行的液壓缸和一個氣壓缸、電磁鐵吸附裝置、支座和底座。底座放在地面上，通過螺栓與豎直液壓缸連接，再通過鍵連接把水平的大臂與豎直的液壓缸伸出的活塞桿垂直連接，然后通過支架與大臂的另一端鏈接，小臂上的豎直液壓缸與支架鏈接，最后整個電磁鐵吸附機構(gòu)用螺栓連接在小臂上的液壓缸的活塞桿頂端。液壓缸提供升降的運動和氣壓缸提供回轉(zhuǎn)的運動，夾持力由電磁鐵的吸附力所產(chǎn)生。2-1-2 機械手總體結(jié)構(gòu) 正視圖第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計82-1-3 機械手總體結(jié)構(gòu) 左視圖 2 22 2 回轉(zhuǎn)

25、式機械手回轉(zhuǎn)部分的機械設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手回轉(zhuǎn)部分的機械設(shè)計 本次所設(shè)計的回轉(zhuǎn)缸，我所選擇的是 AY-R 系列的中實旋轉(zhuǎn)氣壓缸，其數(shù)據(jù)如表2-2-1 所示：品牌中實型氣缸 型號AY-R （韓國三千里）適用范圍530種類柱塞式氣缸缸徑530（mm） 理論作用力 130（N） 最大負荷 3443（N） 最大力距333（Nm） 重量18.7（kg） 氣缸數(shù)3表 2-2-1 回轉(zhuǎn)缸的相關(guān)數(shù)據(jù)這與這次所設(shè)計的立柱的直徑相符，而且其重量為 18.7kg，能夠使得回轉(zhuǎn)機械手在工作中的重心在工件內(nèi)部，使得工作平臺不會出現(xiàn)傾覆的情況。本次所設(shè)計的回轉(zhuǎn)式機械手，我們設(shè)定它能旋轉(zhuǎn)任何角度，所以回轉(zhuǎn)缸以及立柱能夠進行任何

26、角度的轉(zhuǎn)動。在這里，我們對回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩 M 進行了校核：M（1.11.2）(M 摩+M 偏+M 慣)（Nm）式中，M摩手腕支撐處的摩擦阻力矩(Nm)；M偏工件重心偏置的偏置力矩(Nm)；M 慣手腕運動的慣性力矩(Nm)。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計9（1） 摩擦阻力矩的計算。M 摩=f/2*(N1*D1+N2*D2)(Nm)式中，N1，N2軸承處支反力（N）；D1，D2軸承直徑（m）；F軸承的摩擦系數(shù)。由于回轉(zhuǎn)缸為氣壓缸,所以在這方面的摩擦可以忽略。（2） 偏置力矩 M 偏的計算。M 偏=G*e（Nm） =10*200mm/1000=2(Nm)式中，G工件自身的重力（N）e工件重心到手腕轉(zhuǎn)軸線

27、的垂直距離（m）（3）慣性力矩 M 慣的計算。M 慣=0.0175*（J 腕+J 手+J 工）*w/t(Nm)式中，J 腕手腕的轉(zhuǎn)動部件對其運動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J 手手部對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；J 工工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量；W手腕轉(zhuǎn)動的角速度（1/s）；t手腕啟動過程所需用的時間（s） 由于此次回轉(zhuǎn)缸被我們安放在立柱的底端部分，我們可以把工件以及手部假設(shè)為一個整體，我們假設(shè)物體連同工件的質(zhì)量為 8kg，回轉(zhuǎn)缸的質(zhì)量為 18.7kg，w 為 3（1/s）,啟動的時間為 0.1 秒。M 慣=0.0175*（0.43+0.04）*3/0.1=0.25(Nm)M 總=1.2*（0.25+2）=

28、2.7（Nm）333Nm所以運用這個旋轉(zhuǎn)氣壓缸是合理的。圖 2-2-1 為氣壓缸的實物圖：第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計10圖 2-2-1 回轉(zhuǎn)氣壓缸 2 23 3 回轉(zhuǎn)式機械手大臂的機械設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手大臂的機械設(shè)計關(guān)于大臂的設(shè)計，大臂通常一般要應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕。所以在設(shè)計中要根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡化結(jié)構(gòu)，提高配合精度。而且大臂連接著液壓缸與氣壓缸，在這里，則選取用了鋁合金的作為材料，在尺寸方面，于整體做配合，大臂與小臂和立柱之間，都采用了鍵連接，所以大臂的尺寸如圖2-3-1所示：圖

29、2-3-1 大臂尺寸圖（1）關(guān)于大臂與立柱連接的鍵的計算校核：由于是平鍵連接，且軸的直徑為 15mm，所以我們選擇為鍵寬 b 為 5，鍵高 h 為 5 的鍵，鍵長 L 為 16。由于是靜聯(lián)接，所以我們可以得出： 3p2T 10=kldp式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩k鍵于鍵槽接觸的高度南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計11l鍵的工作長度d軸的直徑300MPa(附：鋁合金的許用擠壓應(yīng)力大于 300MPa)32 3 10102.5 16 15pMPa 所以大臂與立柱之間采用鍵聯(lián)接是合理的。（2）大臂與支架之間的連接鍵的計算與校核由于是平鍵連接，且軸的直徑為 15mm，所以我們選擇為鍵寬 b 為 5，鍵高 h 為 5

30、的鍵，鍵長 L 為 16。由于是靜聯(lián)接，所以我們可以得出： 3p2T 10=kldp則有300MPa(附：鋁合金的許用擠壓應(yīng)力大于 300MPa)32 1.5 1052.5 16 15pMPa所以大臂與立柱之間采用鍵聯(lián)接是合理的2 24 4 回轉(zhuǎn)式機械手小臂的機械設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手小臂的機械設(shè)計 對于機械手的小臂，我們放置了一個用于升降的液壓缸，以及使之與大臂所連接的用在液壓缸上面的支架。首先是對于液壓缸的選型。 伸縮液壓缸所需驅(qū)動的力包括夾持器及工件的移動慣性力和系統(tǒng)自身阻力，總的作用力較小，所以選擇系統(tǒng)壓力 P=0.8MP=8bar，則系統(tǒng)最大壓力Pmax=1.5P=1.58=12bar，根

31、據(jù)結(jié)構(gòu)要求選擇 CD 型單桿液壓缸，選擇 MS2 型底座安裝形式，如圖 2-4-1：圖 2-4-1 液壓缸結(jié)構(gòu)以下是選擇液壓缸活塞和活塞桿直徑所需要的一些數(shù)據(jù)，第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計12推力：F=RW+RM+RF10N,其中 RW為軸向外作用力；RM為慣性力； RF為系統(tǒng)阻力。拉力：此處拉力與阻力相當，取 20N；行程：按系統(tǒng)要求，行程 S=100mm；安裝角度：該液壓缸豎直安裝，所以： 90從而確定 D=25mm，d=18mm。根據(jù)以上幾個步驟確定了液壓缸型號為：CDT3MS2/25/18/100F11/B11HDUMWW伸縮液壓缸的安全性能校核數(shù)據(jù)結(jié)果如圖 2-4-2 所示，

32、由圖中數(shù)據(jù)可知該液壓缸安全性滿足要求。圖 2-4-2 安全系數(shù)用 proe 軟件建模畫出伸縮液壓缸三維圖，如圖 2-4-3：2-4-3 伸縮缸結(jié)構(gòu)在液壓伸縮缸選好型后，則要設(shè)計出連接的支架部分。支架用于液壓缸于大臂的連接，采用鋁合金材料，根據(jù)伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)對支架的南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計13結(jié)構(gòu)及尺寸做了確定，如圖 2-4-4 和 2-4-5：圖 2-4-4 支架正視圖圖 2-4-5 支架俯視圖2 25 5 回轉(zhuǎn)式機械手的抓取部分的機械設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手的抓取部分的機械設(shè)計這次設(shè)計是磁吸式機械手的設(shè)計。常用的工業(yè)機械手手部，按握持工件的原理，分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整

33、、面積較大的板狀物體，適合用于本方案。通過綜合考慮，本設(shè)計選擇吸盤作為磁吸式機械手的手抓。為了使機械手能夠平穩(wěn)的搬動工件，選擇了ZYE1-P20/15的吸盤式電磁鐵，吸盤內(nèi)的磁力由電磁鐵提供。如圖2-5-1：第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計14圖2-5-1由于該電磁鐵在通電狀態(tài)下可產(chǎn)生強勁吸附力，把它安裝在自動化設(shè)備中可對被吸附物體起到停止或移動作用。 這種電磁鐵也被廣泛應(yīng)用于自動化配送生產(chǎn)線，分揀機器、機械手、實驗設(shè)備、醫(yī)療、研磨、切割、切削等自動化加工生產(chǎn)線上材料或產(chǎn)品的輸送，傳遞，控制簡單，省力省電，安全可靠，并可進行遠程操作。所以在本次設(shè)計中，選用了這一型號的電磁鐵。為了與小臂中的

34、軸做配合，所以我們就選取了型號為ZYE1-P20/15的吸盤式電磁鐵。 其與小臂為螺紋連接，型號為M3。所以我們可以把小臂所伸出的軸的下端，設(shè)計成為M3的螺紋，這樣子在連接方面，就比較方便簡潔。該電磁鐵可以抓取的工件為25N。與設(shè)計一開始所提出的1kg的物體來說，足夠滿足要求。所以可以放心的選取這個型號作為電磁鐵來使用。2.2. 6 6 回轉(zhuǎn)式機械手立柱部分的設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手立柱部分的設(shè)計在立柱上，我們在氣壓缸上面安置了一個伸縮的液壓缸，使得機械手能夠進行提升的操作，下面是對這個伸縮液壓缸的選型以及設(shè)計校核。（1）最大系統(tǒng)壓力升降液壓缸所需驅(qū)動的力包括夾持器、工件、伸縮液壓缸的重力以及系統(tǒng)阻力

35、，總作用力較小，所以選擇系統(tǒng)壓力 P=0.8MP=8bar，則系統(tǒng)最大壓 Pmax=1.5P=1.58=12bar,（2）結(jié)構(gòu)選擇根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選擇 CD 型單桿液壓缸，選擇 ME6 型缸底矩形法蘭（3）參數(shù)計算行程：按系統(tǒng)要求，行程 S=100mm；南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計15安裝角度：該液壓缸豎直安裝，所以：； 90從而確定 D=25mm，d=18mm。（4）最終液壓缸型號與校核根據(jù)以上幾個步驟確定了液壓缸型號為：CDT3ME6/25/18/100F11/B44HDUMWW 升降液壓缸的安全性能校核數(shù)據(jù)結(jié)果如圖 2-6-1 所示，由圖中數(shù)據(jù)可知該液壓缸安全性滿足要求。2-6-1 安全系數(shù)用

36、 proe 進行建模畫出伸縮液壓缸三維圖，如圖 2-6-2：2-6-2 伸縮液壓缸2 27 7 回轉(zhuǎn)式機械手底座部分的設(shè)計回轉(zhuǎn)式機械手底座部分的設(shè)計 底座是用來固定回轉(zhuǎn)液壓缸的，可以根據(jù)回轉(zhuǎn)液壓缸的底部矩形法蘭進行尺寸設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如圖2-7-1和2-7-2：第二章 回轉(zhuǎn)式機械手的機械系統(tǒng)的設(shè)計162-7-1 底座正視圖2-7-2 底座俯視圖由于氣壓缸選取的重量為18.7kg的，其它的材料采用的為鋁合金的材料，所以整個回轉(zhuǎn)式機械手的重心穩(wěn)定，不會在放置的時候或者是運行的時候出現(xiàn)傾覆的情況。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計17第三章 回轉(zhuǎn)式機械手的仿真在進行了機械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計后，我們進行了相關(guān)的運動

37、仿真。運動仿真模塊是用于建立運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律。它可以進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件上各點的運動軌跡，分析整個運動機構(gòu)中零件的速度、加速度和受力等情況。運動仿真的分析結(jié)果可以作為依據(jù)用來指導(dǎo)結(jié)構(gòu)或者零件的優(yōu)化設(shè)計，比如加長或縮短某一構(gòu)件的力臂、調(diào)整凸輪型先等。優(yōu)化修改之后可以再次用運動仿真模塊分析，很方便地進行反復(fù)分析和優(yōu)化，從而得出最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。運動仿真最顯而易見的優(yōu)點是能夠把運動情況最直觀和形象地展現(xiàn)出來，能夠讓大家對運動機構(gòu)有一個具體的認識；同時它給設(shè)計人員帶來了極大的方便，它可以大大提高設(shè)計效率，降低設(shè)計成本。本設(shè)計中采用 Pro/E 來實現(xiàn)機械手的運動過程仿真。Pro/ e

38、ngineer（Pro/E）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱 PTC）的重要產(chǎn)品。它是一款集 CAD/CAM/CAE 功能為一體的綜合性三維設(shè)計軟件，在目前世界范圍內(nèi)三維造型軟件領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位，并作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界人士的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM 軟件之一。Pro/E 軟件中的“機構(gòu)”模塊是專門用來對機構(gòu)進行運動仿真和動態(tài)分析的，它有 Mechanism design（機械設(shè)計） 和Mechanism dynamics（機械動態(tài)）兩種分析功能：其中“機械設(shè)計”分析功能相

39、當于運動分析，通過創(chuàng)建運動機構(gòu)，定義運動副和約束，然后再創(chuàng)建能使機構(gòu)運動的伺服電機，從而實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬。同時可以觀察和分析某零件運動狀況，測量其速度、加速度等運動特征，并通過圖形直觀的表述出來；“機械動態(tài)”分析功能可在此基礎(chǔ)上定義力、力矩和彈簧、阻尼等特征。通過設(shè)置機構(gòu)的材料、密度等特征，使其更加接近現(xiàn)實中的結(jié)構(gòu)，達到最接近真實的模擬效果。簡單來講就是，如果單純研究機構(gòu)的運動只需要使用“機械設(shè)計”分析功能；如果需要進一步分析機構(gòu)受力、外界輸入力和力矩等，則必須使用“機械動態(tài)”分析功能。本設(shè)計中只是單純對機械手的外形建模和運動情況做一個簡單的模擬，并不涉及到力的作用，所以只需要用到“機械設(shè)計

40、”分析功能，機械手的三維建模如圖 3-1，其運動模擬動畫將在附件中給出。第三章 回轉(zhuǎn)式機械手的仿真18圖 3-1南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)計19第四章 總結(jié) 隨著工業(yè)自動化的前進與發(fā)展，機械手在工業(yè)生產(chǎn)的比重越來越大，它可以代替人工在很多危險狀況下工作，大大降低了生產(chǎn)過程中的勞動力，改善了工人的工作環(huán)境。本次所設(shè)計的單臂回轉(zhuǎn)式機械手主要用于機械加工生產(chǎn)和貨物搬運等場合，實現(xiàn)了工業(yè)自動化。本機械手主要以液壓為驅(qū)動方式，采取吸附式手部結(jié)構(gòu)，具有升降和回轉(zhuǎn)兩個行程。整個設(shè)計具有以下幾個優(yōu)點： 第一，夾持力由吸附式式電磁鐵提供，穩(wěn)定可靠，其吸附力可以在吸附最大加持力范圍內(nèi)的任意的具有磁力的物體，且不會造

41、成卡死、過載等情況； 第二，對于液壓缸而言，液壓機構(gòu)傳動平穩(wěn)，能夠自動防止過載，并且易于實現(xiàn)自動控制。同時液壓原件標準化易于選取； 第三，此次設(shè)計中機械手動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，易于拆裝，可用于機械設(shè)計和液壓相關(guān)課程實驗教學中的演示和拆裝練習。 綜上所述，通過這次三個月左右的畢業(yè)設(shè)計，經(jīng)過了資料的搜索、方案的選擇和比較和，然后到計算分析，再到工程圖紙的繪制以及畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫等各個環(huán)節(jié)，我對大學四年所學知識又有了一個系統(tǒng)和全面的理解，同時對工程設(shè)計過程和方法有了一個具體的認識。此外，由于本人知識水平和經(jīng)驗有限，設(shè)計中難免有一些不足之處，懇請各位老師批評和指正。南京工業(yè)大學本科生畢業(yè)設(shè)

42、計20參考文獻1 王希敏.工業(yè)機械手發(fā)展途徑J.機械工程師,1990,(02):4344,14.2李忠晚 淺析機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3穆亞飛 淺談機械手在機械工業(yè)中的應(yīng)用 16730992(2011)06-128-014李明 單臂回轉(zhuǎn)式機械手設(shè)計5 盧子馨.機械手夾持器的設(shè)計與分析N.石油大學學報(自然科學版) ,1993.06.6 司震鵬,曹西京,姜小放.真空吸附式機械手系統(tǒng)設(shè)計J.包裝與食品械,2009,(06):2630.7管永忠 工業(yè)機械手的設(shè)計探析8 N. F. Wang,K. Tai.Mechanisms to Form Grip-and-Move Manipulators for 2D WorkspaceJ.ASME,2010.03 .9 Michal Van Damme,Bram Vanderborght,Ronald Van Ha,Bjrn Verrelst,Frank Daerden,Dirk LefeberJ.The International Journal of Robotics Research ,February 2009,(2):266284.10 王珍喜.JDY1 型機械手 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計N.九江職業(yè)技術(shù)學院學報,2002.04.11 Yue-nong, Wu Qin