1、-1-目 录 摘 要.1 关键词.1 1 前言.2 1.1 引言.2 1.2 硬臂气动助力机械手的应用.2 1.3 硬臂助力机械手用气动驱动的优点.3 1.4 硬臂助力机械手组成.3 1.5 本文主要研究内容.4 2.机械手的总体设计方案.5 2.1 机械手的坐标形式选择.5 2.2 机械手的自由度与运动.5 2.3 机械手的主要部件.5 2.4 机械手的动作顺序.6 2.5 机械手的驱动机构的方案论证.6 2.6 机械手的控制系统的方案论证.6 2.7 机械手的技术参数表.6 2.8 机械手的总体结构.7 3 手部的设计及计算.8 3.1 手部的设计要求.8 3.2 手部的典型结构.9 3.
2、3 手抓的结构设计及计算.9 3.4 手部的气缸选型.11 3.5 手抓销轴的切应力校核.13 3.6 气缸推杆截面的正应力校核.14 3.7 手部与臂部连接的螺栓强度校核.15 3.8 机械手的手部总体结构.15-2-4 机械手的腕部设计及计算.16 4.1 腕部结构的设计要求.16 4.2 典型的腕部结构.16 4.3 腕部的结构设计及计算.17 4.4 腕部回转处轴承的选型.19 4.5 腕部摆动气缸的选型.19 4.6 腕部与臂部连接的螺栓强度校核.20 4.7 机械手的腕部总体结构.21 5 机械手的臂部设计及计算.22 5.1 臂部设计的基本要求.22 5.2 臂部的典型结构.22
3、 5.3 臂部的结构设计及计算.22 5.4 臂部的气缸选型.24 5.5 臂部销轴的切应力校核.27 5.6 机械手的臂部总体结构.29 6 机械手的机身设计及计算.29 6.1 机身的典型结构.29 6.2 机身和臂部的配置型式.29 6.3 机身的结构设计及计算.30 6.4 机身回转处摆动气缸的选型.32 6.5 机身回转轴的轴承选型.33 6.6 基座的螺栓强度校核.33 6.7 机身回转装置的结构.34 7 结论.35 致 谢.35 参考文献.35 1 硬臂气动助力机械手结构设计 硬臂气动助力机械手结构设计 【摘 要】：【摘 要】：气动机械手是能够模拟人手和手臂的某些运动轨迹和相关
4、动作操作，按照程序人员编写的固定程序，进行抓取、搬运、操作某些特定功能的自动化操作装置。本次设计的机械手是硬臂气动助力机械手，它通常用于对车间内的大型重物进行搬运，以便于减少工厂的人工劳动，改善了工人劳动条件，进而大大提高了工厂的生产效率。本文主要对硬臂气动助力机械手的结构方面进行设计，分别从自由度、执行机构、驱动机构、控制系统等几个方面进行方案的论证、机构的力学分析。对执行机构进行力学和运动学分析，从而选出比较合理的机构结构及其相应的材料，进而完成对硬臂气动助力机械手的结构设计。【关键词】：【关键词】：气动技术，气动机械手，结构设计，自由度 The structure design for
5、stiff arm pneumatic booster manipulator 【Abstract】：Pneumatic manipulator is automatic operation device that it cans some trajectory simulation of manpower and arms and related operation,according to a fixed program written,automatic operation device for capture,handling,operate certain functions.The
6、 design of this robot is stiff arm pneumatic booster manipulator.It is often used for large load on the workshop to carry,in order to reduce factory of manual labor,improve working conditions of workers,and improves the production efficiency of the factory.This paper mainly carries on the design of
7、structure that the stiff arm pneumatic booster manipulator.The degree of freedom,executive mechanism,driving mechanism,control system and so on several aspects of the scheme is demonstrated,mechanism dynamics analysis.The actuator is analyzed of mechanics and kinematics to select the structure more
8、reasonable and relevant materials,and then complete the structural design of the stiff arm pneumatic booster manipulator.【Key word】：Pneumatic technology,Pneumatic manipulator,Structure design，Freedom 2 1 前言 1.1 引言 工业机械手是当代自动化控制领域中出现的一项革命性的新兴的尖端的综合性强的技术，工业机械手已经成为现代工业制造与生产系统中的一个不可或缺的环节，工业机械手这样的新技术在这几十
9、年中得到了迅速的发展，机械手成为一门应用性强、跨多学科、新兴的学科机械手工程。机械手工程涉及到机械工程学、自动化控制、工程力学、计算机、电器液压、传感器等科学技术，是一门跨多学科综合技术1。通过编程来完成各种预期的作业是工业机械手的主要特点。人和机器各自的优点，在构造和性能上工业机械手都具有。这些优点，尤其表现在智能化与高适应度上。凭借着工业机械手工作的精确度和在复杂环境中完成任务的能力，在机械制造、冶金、电子、轻工领域中工业机械手的应用和发展都有着广泛的空间2。由于工业机械手的优势正日益被人们所认识，所以工业机械手得到了迅速的发展。第一、工业机械手能部分的代替人工重复的操作；第二、工业机械手
10、能按照生产工艺的要求，遵循程序员规划好的程序、时间和位置，从而去完成工件的传送和装卸；第三、工业机械手能够在某些恶劣的环境下，操作必要的机具进行焊接和装配，从而极大的减少了工人的劳动强度，显著的改善了劳动环境3。所以，工业机械手受到很多国家的重视，并且投入大量的人力和物力来进行工业机械手的研究和应用。特别是在高压、高温、高噪音、强腐蚀污染以及带有放射性的场合，工业机械手的应用更为受到重视4。工业机械手，在我国近几年也有着飞速的发展，并且取得显著的成绩，受到机械工业制造领域的重视。工业机械手拥有自动控制和重新编程来变换相关的姿态和轨迹的优点，一般的工业机械手拥有多个自由度，在多个自由度情况，工业
11、机械手可以在不同环境中完成传送、装卸、焊接等工作。硬臂助力机械手是工业机械手中常见的一种，主要用途是用于车间对大型重物进行搬运。1.2 硬臂气动助力机械手的应用 硬臂气动助力机械手是一种模拟人手进行相关运动和操作的自动化机械。硬臂气动助力机械手的主要用途是：在车间中用于重物的搬运，从而提高工厂的生产效率。硬臂气动助力机械手可以按照人为编写的程序来进行抓取、搬运物件或者操持工具完成某些特定操作。硬臂气动助力机械手可以代替人类从事单调化、3 重复化或繁重的体力劳动，从而实现工业生产中机械化和自动化的快速发展。硬臂气动助力机械手可以代替人类在有害环境下的手工操作，进而改善工人的劳动条件，保证工人的人
12、身安全。因此，硬臂气动助力机械手在机械制造、冶金、电子、轻工和原子能源等相关领域得到了广泛的应用。1.3 硬臂助力机械手用气动驱动的优点 硬臂助力机械手的驱动系统使用气动驱动有以下优点：在气动驱动下，机械手全程都可以达到平衡状态、机械手的运动顺滑，从而使不同的物料或者工件达到重力平衡状态，进而实现物料的精确位移操作；在气动驱动下，空载、满载和处理不同工件的情况，驱动系统都可以感知其重量变化，从而实现载荷在三维空间中的浮动状态，以便于机械手和工件的精确定位；在气动驱动下，刚性手臂可使机械手带工件越过障碍；在气动驱动下，驱动系统可始终保持机械手头部的水平，发挥高作业性；在气动驱动下，压缩空气可存贮
13、在储气罐中，以便于适应突然断电等情况的发生。1.4 硬臂助力机械手组成 硬臂气动助力机械手包括执行机构部分、驱动机构部分、控制系统部分以及位置检测装置部分等5。1.4.1 执行机构 硬臂气动助力机械手的执行机构由手部、腕部、臂部、机身等部分组成，硬臂气动助力机械手的执行机构是硬臂气动助力机械手的重要组成部分6。硬臂气动助力机械手的手部是直接与工件接触的部分。硬臂气动助力机械手的手部一般分为回转型手部和平动型手部。根据需要硬臂气动助力机械手的手抓分为外抓式手抓和内抓式手抓两种；硬臂气动助力机械手的手部吸盘可以分为空气吸盘和电磁吸盘。硬臂气动助力机械手的手部的传力机构一般有：齿轮齿条式手部传力机构
14、、丝杠螺母式手部传力机构、滑槽杠杆式手部传力机构、连杆杠杆式手部传力机构、弹簧式手部传力机构和重力式手部传力机构。硬臂气动助力机械手的腕部是衔接机械手的手部和机械手的臂部的重要机构，机械手的腕部可以用来调节被抓物体的位置或姿势，以便扩大硬臂气动助力机械手的动作范围，提高硬臂气动助力机械手的灵活度，使得硬臂气动助力机械手的适应性更强。硬臂气动助力机械手的腕部有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。4 硬臂气动助力机械手的手臂是硬臂气动助力机械手的重要握持机构。硬臂机械手的臂部作用是支撑机械手的腕部和机械手的手部，并带动机械手的手部和机械手的腕部做空间运动。硬臂气动助力机械手的臂部运动目的
15、：把硬臂气动助力机械手的手部送到空间运动范围内任意位置。若改变硬臂气动助力机械手的手部的姿态和位置，则由硬臂气动助力机械手的腕部的自由度来加以实现。硬臂气动助力机械手的手臂的各种运动和动作的完成，是通过各种驱动机构和各种传动机构来实现的。硬臂气动助力机械手的机身是直接联接、支承和传动硬臂气动助力机械手的手臂的部件。硬臂气动助力机械手是由机械手的臂部运动机构及有关的导向装置和相关的支撑件等组成。1.4.2 驱动机构 驱动机构是硬臂助力机械手的一个不可或缺的重要部分。按照动力的来源不同，我们把硬臂助力机械手的驱动机构大致分为气动驱动、液压驱动、电动驱动和机械驱动等四类驱动机构。1.4.3 控制系统
16、 在控制系统上，硬臂气动助力机械手有着点动控制和连续控制两种方式。点位控制多数情况下是用插销板来进行点位控制的，采用可编程序控制器（PLC）、微型计算机对硬臂气动助力机械手进行连续控制。主要控制的是硬臂气动助力机械手坐标位置，并注意硬臂气动助力机械手的加速度特性。1.4.4 位置检测装置 硬臂气动助力机械手的位置检测装置是：控制硬臂气动助力机械手的执行机构的运动位置，并随时将硬臂气动助力机械手的执行机构的实际位置反馈给硬臂气动助力机械手的控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过硬臂气动助力机械手的控制系统进行调整，从而使硬臂气动助力机械手的执行机构以一定的精度达到设定位置。1.5 本文主要研究内容 本文研究了硬臂气动助力机械手发展和应用现状，学习和查阅了相关资料，熟悉了硬臂气动助力机械手的工作原理，掌握了硬臂气动助力机械手的运动原理。在此基础上，确定了硬臂气动助力机械手的总体设计方案，对硬臂气动助力5 机械手的执行机构部分、驱动机构部分、控制系统部分进行方案论证，对硬臂气动助力机械手的运动进行了运动分析与受力分析，完成了机械手结构方面的设计工作。对硬臂气动助力机械手的关键部件进行应力
