轻型搬运机械手的设计

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1、轻型搬运机械手的设计摘要 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了轻型搬运机械手的设计计算过程。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手

2、整体座标的形式。对其分别进行齿轮传动的设计和转轴的设计，在此过程中我们确定了运动所需的力和扭矩。在确定动力的的情况下通过计算分析，选择满足使用功率的步进电机。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 关键词：自由度；齿轮传动装置；步进电机；发展趋势目录 第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2 工业机械手的简史31.3工业机械手在生产中的应用41.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线61.3.2 在实现单机自动化方面61.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面71.

3、4 机械手的组成81.4.1 执行机构81.4.2 驱动机构81.4.3 控制系统分类81.5工业机械手的发展趋势91.6 本文主要研究内容101.7 本章小结10 第二章 机械手的总体结构设计112.1 机械手基本形式的选择112.2 机械手的主要部件及运动122.3 驱动机构的选择122.4 本章小结12 第三章 机械部分零件的计算及建模133.1 Pro/Engineer软件建模133.2 手部零件的设计14 3.2.1 手部零件设计的基本要求14 3.2.2 机械手手部的设计计算15 3.3 腕部的设计计算16 3.3.1 腕部设计的基本要求16 3.3.2 腕部的结构以及选择17 3

4、.3.2.1典型的腕部结构18 3.3.2.2 腕部结构和驱动机构的选择18 3.3.3 腕部的设计计算193.3.4 腕部的驱动力矩计算203.3.5 腕部驱动力的计算203.3.6 腕部转轴的选择21 3.3.7 本章小结22 3.4 小臂部分的设计及有关计算23 3.4.1 小臂部分设计的基本要求23 3.4.2 手臂的典型机构以及结构的选择23 3.4.2.1 手臂的典型运动机构23 3.4.2.2 手臂运动机构的选择23 3.4.3小臂部分各零件的计算24 3.4.3.1 小臂支板的确定26 3.4.3.2 小臂部分转轴的选取27 3.4.3.3 小臂部分轴承和卡簧的三维图及工程图的

5、选取28 3.4.3.4 小臂部分步进电机的选取28 3.4.3.5 小臂部分齿轮的选取29 3.4.3.6 小臂部分的三维软件总图313.5 大臂部分的设计及有关计算323.5.1 大臂支板的确定323.5.2 大臂部分转轴的选取343.5.3 大臂部分轴承和卡簧的三维图及工程图的选取343.5.4 大臂部分步进电机的选取353.5.5 大臂部分齿轮的选取363.5.6 底座的三维设计及工程图363.5.7 大臂固定部分螺钉的选取383.5.8 大臂部分的三维软件总图39 3.5.9 本章小结40 总结41 致谢42 参考文献43 第一章 绪论1.1课题研究的背景 用于再现人手的的功能的技术

6、装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现

7、在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。 机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 机械手

8、是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 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。1.2 工业机械手的简史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产产品。 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。

9、他的结构是：机体上安装一回转长臂，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Unimate(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

10、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Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm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Unimate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

11、作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 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年个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

12、50%。智能机械手约为17亿日元，为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 Manufa

13、cturing system)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工业机械手在生产中的应用 机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资

14、料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永

15、泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。 加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2 在实现单机自动化方面 各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由

16、于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。 1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 模锻方面，国内

17、大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。1.4 机械手的组成 刘明保,吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学 报,2004工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 如图1-1所示：图1-1 机械手组成结构1.4.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板

18、零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出

19、扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度

20、直接影响机械手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.4.2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用齿轮机构驱动机械手,适用范围广，瞬时传动比恒定，效率高； 寿命长；结构紧凑，控制方便。1.4.3 控制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5工业机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不

21、断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97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市。(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，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器

22、，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际

23、研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差

24、距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种

25、:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品。1.6 本文主要研究内容 本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了工业机械手的运动机理。在此基础上，确定了工业机械手的基本系统结构，对工业机械手的运动进行了简单的力学模型分析，完成了机械手机械方面的设计工作（包括传动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。进而运用p

26、roe软件对机械手的手部及升降机构作了运动仿真分析。掌握了三维软件设计的一般过程。1.7 本章小结 本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。介绍了三维软件Pro/Engineer的基本知识。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。 第二章 机械手的总体设计方案本课题是轻型搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务，然后通过proe软件对机械手的手部进行简单的运动仿真。2.1 机械手

27、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；（2）圆柱坐标型机械手； （3）水平多关节型机械手； （4）垂直多关节型机械手。 本次设计采用垂直多关节型机械手，模拟了人类的手臂功能。由于垂直于地面的腰部旋转轴（相当于大臂旋转的肩部旋转轴），带动小臂旋转的肘部旋转轴及小臂前端的手腕等构成。手腕通常有2-3个自由度。 垂直多关节型机械手的优点是可以自由的实现三维空间的各种姿态，可以生成各种姿态，可以生成各种复杂形状的轨迹。它广泛应用于代替人完成装配作业、货物搬运、电弧焊接、喷涂及点焊接等场合。如图2-1所示：图2-1 机械手的原理图2.

28、2 机械手的主要部件及运动 在垂直多关节型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：手部仰俯运动；手臂伸缩；手臂仰俯运动3个主要运动。 本次设计主要由4个大部件和两个电动机及四个齿轮组成：（1）手部，采用电磁吸盘式，通过腕部的齿轮传动，实现机构绕y轴的仰俯运动；（2）腕部，是采用齿轮传动，通过小臂上的电机齿轮传动，实现仰俯运动；（3）臂部，采用步进电机，通过齿轮啮合传动实现仰俯运动；（4）机身，用一个圆盘底座，实现运动机构固定。2.3驱动机构的选择 驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根

29、据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用机械驱动式机械手,结构简单、动作可靠、尺寸紧凑、驱动力大，常用于固定场所等优点。因此，机械手的驱动方案选择机械式驱动。2.4 本章小结 本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用机械驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将依次进行。 第三章 机械部分零件的计算及建模3.1 Pro/Engineer软件建模 李军.PROE实例教程.北京：北京理工大学出版社.2002 Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/C

30、AE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。主要特性Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单

31、机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。PRO/INTERFACEPro/INTERFACE是一个完整

32、的工业标准数据传输系统，提供 Pro/Engineer与其它设计自动化系统之间的各种标准数据交换格式它可用于 Pro/ENGINEER几何的输入和输出。剖面可以参数化并被构造 Pro/ENGINEER内的任意特征种类。1 二维和三维图形：Pro/INTERFACE提供了将2D和3D图形通过 IGES40或 SET输入到 Pro/ENGINEER的绘图模式里的能力，输入后，正常制图功能都是有效的。2 三维线框图形：Pro/INTERFACE提供了将3D线框几何体通过 IGES40或 SET 输入到 Pro/ENGINEER内的能力，该线框体能被用于生成全参数化，以特征为基础的实体模型。如果需要，

33、可以覆盖到非参数化的实体模型上。3 任意形状曲面：Pro/INTERFACE提供了通过 IGES40或 SET将一个或更多的任意形状曲面输入到 Pro/ENGINEER内的能力。一旦输入后，这些面可以被偏置和缝合在一起，及被其它曲面剪裁，它们也可以被用于构造一个实体模型(见 Pro/SURFACE有关详细描述)。4 三维表面模型：Pro/INTERFACE提供了通过 IGES40或 SET将部分表面或整个表面线框模型输入到 Pro/ENGINEER内的能力。在 Pro/ENGINEER内如果有遗漏表面可以加上，并且整个表面模型也可以覆盖到一个非参数化的实体模型上。覆盖到非参数化实体模型上的表面

34、可以作为一个“单一特征”。这样用户就可以将所有参数化特征附加到这“单一特征”上，当然该特征也能象其它任何 Pro/ENGINEER修改。数据交换功能包括：1 SLA：用于将3D模型信息输出到生产工作台。2 RENDER：用于将3D模型信息输出到著色程序。3 DXF：用于输入和输出那些支持 DXF格式文件系统的2D信息。4 NEUTRAL：用于输出符合 Pro/ENGINEER中间文件格式的特征、零件、部公差信息。5 IGES：用于输出符合 IGES40标准的2D图形和3D模型(包括零件和部件)。6 PATRAN Geom；用于输出符合 PATRAN中间文件格式的零件几何体数据。7 IGES12

35、8：用于输出零件几何体(注：除非特殊需求规定，将无效)。8 SUPERTA BGeom：输出符合用于输入列 SUPERTAB的 UNIVERSAL文件格式的几何体。9 SET：用于输入符合 VDA标准的 Pro/ENGINEER模型。PRO/MOLD DESIGNPro/MOL DESIGN模块用于设计模具部件和模板组装，它包括如下功能：1 采用参照设计模型的方法，自动生成模具型腔几何体。2 对单一、多面类似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER的组装命令及花样组来定出型腔。3 对复杂的多面/注模，提供 Slider/CAMMED移动功能。4 用不同的缩减补偿方式，修改造型几何体。

36、5 在模拟过程，采用干扰核查的方法支定度及模似模具开口及 Molding Ejection Sequence.6 备有 AC Technology的 CFlow/EZ分析软件，提供空腔冲填及 AIR TRAPPING模拟、 Front、ram速度、weld线及流体速度(Flow Velocity)。7 直接取得 Pertinent模具设计工程的信息，包括冲填器皿及型腔表面积等信息。8 可生成摸具的特定功能，包括浇口(Sprue)、浇道(Runner)、浇槽(Gates)、冷凝线(cooling line)及分离线。9 Pro/LIBARARY亦有提供与 Pro/MOLDESIGN使用的功能，包

37、括标准化的摸具组装及元件。3.2 手部零件的设计（1）应具有适当的吸附力和驱动力。应当考虑到在一定的吸附力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。（2）要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 本此设计采用电磁吸盘式。如图3-1所示： 图3-1 电磁吸盘3.2.1 手部零件设计的基本要求（1）手指式 有两指式和多指式，适用于各种机械加工的零件及组件的搬运。盘类、环类零件及杂件的抓取及搬运。（2）吸盘式 有空气负压吸盘和电磁吸盘，用于表面光滑的板材或具有曲线形状的壳体零件。（3）托持式 用于特殊形状或有特殊要求的零件。 3.

38、2.2 机械手手部的设计计算 李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学.2003 本设计是轻型搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：吸附重量为5Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型：平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零；若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,适合用于本方案。

39、本设计机械手采用吸附式手部。 通过综合考虑，本设计选择电磁吸盘式手部设计，吸附铁磁材料的板料或盘形零件。3.3 腕部的设计计算3.3.1 腕部设计的基本要求（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。（3）必须考虑工作条件 对于本次设计，机械手的工作条件是在工作场

40、合中搬运加工的轻型板料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。3.3.2 腕部的结构以及选择 3.3.2.1典型的腕部结构 张建民.工业机械人.北京理工大学出版社.2006(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点。腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于）。(2) 直齿轮驱动的腕部结构。在要求回转角大于的情况下，可采用直齿轮驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平

41、和垂直转动的两个自由度。 (4) 机-液结合的腕部结构。3.3.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的仰俯运动的腕部结构，采用齿轮传动。3.3.3 腕部设计考虑的参数 夹取工件重量5Kg，回转。3.3.4 腕部的驱动力矩计算 （1）腕部的驱动力矩需要的力矩。 （2）腕部回转支撑处的摩擦力矩。吸附板料2525mm,重量5Kg，当手部摆动时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动及回转转动件（电磁吸盘）等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14（2）摩擦力矩。（3）启动过程所转过的角度=0.314

42、rad，等速转动角速度。 （4.1）查取转动惯量公式有：代入： 机械手腕部三维软件图如图3-2所示： 图3-2 机械手腕部三维软件图3.3.5 腕部驱动力的计算本次设计机械手腕部采用齿轮传动，通过小臂的步进电机驱动齿轮，传递给手腕上的齿轮，实现一定的传动比。根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下：(1) 传动比为i =1.5:1；(2) 两齿轮模数为m=1.0；(3) 压力角为= 20；(4) 中心距选择 =66mm。手腕的齿轮设计： 分度圆直径d=mZ=1.0*40=40mm， 基圆直径 =mzcos=37.2mm, 齿顶圆直径=m（z+2）=42mm, 齿根圆直径=m（z-2-2）=37.5

43、mm, 标准中心距a=m（+)=66mm.齿轮示意图如图3-3所示：A-A 图3-3 齿轮示意图齿轮三维图如图3-4所示： 图3-4 齿轮三维图3.3.6 腕部转轴的选择及计算 腕部转轴的直径为8mm的圆轴，其上的圆槽为安装卡簧的位置。腕部齿轮的厚度为10mm，通过键固定到转轴上。转轴两边通过轴承和卡簧连接到手腕的耳板上。选择轴的材料，确定许用应力 李允文.工业机械手设计手册.机械工业出版社.1998易知转轴传递的功率属于中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并调制处理。查机械设计手册轴的常用材料及其主要力学性能知强度极限，再由机械设计手册轴材料的许用弯曲应力表知许用弯曲应力。按扭转强度估算

44、轴径查机械设计手册得轴的计算公式为： 式4-1根据机械设计手册常用材料值和值，取，将、带入式4-1，有 考虑到轴承受齿轮部分的扭矩力，故将估算的直径加大，取为8mm。由设计手册取标准直径。考虑到长度对整体运动的影响，在这里我们根据实际情况选取长度为34mm的轴。轴材料的许用弯曲应力表常用轴材料腕部转轴的三维图及工程图如图3-5所示： 图3-5 腕部转轴选取轴承为深沟球轴承，规格为8mm*12mm*2.5mm。轴承三维图如3-6所示： 图3-6 轴承卡簧的三维图如3-7所示： 图3-7 卡簧以上所选取零件均为标准件，便于有良好地互换性。3.3.7 本章小结 本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有

45、一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径。3.4 小臂部分的设计及有关计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。本次设计的手臂运动形式为上下仰俯运动和伸缩运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备2个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩和仰俯运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此

46、，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。 3.4.1 小臂部分设计的基本要求臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 (1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2)提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 (3)合理布置作用力的位置和方向。 (4)注意简化结构。 (5)提高配合精度。臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在,最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效、最直接的办法，因此，机械手臂部要

47、尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金或密度稍小的碳钢材料。（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3）减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4）驱动系统中设有缓冲装置。手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。本次设计中转轴采用轴承连接，卡簧固定。 总结：以上要求是相互制约的，应该综

48、合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。3.4.2 手臂的典型机构以及结构的选择 3.4.2.1 手臂的典型运动机构 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床.2004 常见的手臂伸缩机构有以下几种：（1）双导杆手臂伸缩机构。（2）手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向 移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组 合，两直线运动的双层液压缸空心结构。（3）双活塞杆液压岗结构。（4）齿轮装置传动机构。 3.4.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本次设计采用第四种，传递功率大，传动平稳，能够长时间使用，耐磨性好。

49、3.4.3 小臂部分各零件的计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。3.4.3.1小臂部分转轴的选取腕部转轴的直径为8mm的圆轴，其上的圆槽为安装卡簧的位置。腕部齿轮的厚度为10mm，通过键固定到转轴上。转轴两边通过轴承和卡簧连接到手腕的耳板上。选择轴的材料，确定许用应力同腕部的转轴易知，小臂部分的转轴传递的功率属于中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并调制处理。查机械设计手册轴的常用材料及其主要力学性能知强度极限，再由机械设计手册轴材料的许用弯曲应力表知许用弯曲应力。按扭转强度估算轴径查机械设计手册

50、得轴的计算公式为： 式4-1根据机械设计手册常用材料值和值，取，将、 带入式4-1有：考虑到轴承受齿轮部分的扭矩力，故将估算的直径加大，取为8mm。由设计手册取标准直径。考虑到长度对整体运动的影响，在这里我们根据实际情况选取长度为34mm的轴。小臂部分转轴的三维图及工程图如图3-8所示： 图3-8 小臂转轴3.4.3.2 小臂支板的确定小臂的板料厚度为4mm，便于有足够的强度，也利于轴承的安装。根据支板所承受的力的大小和自身重量，取壁厚为3mm。臂部的尺寸通过查阅机械手手册，以及强度的校核，选取板长为74mm,宽为30mm，高为65mm.。小臂一上的板通过四个螺钉固定在小臂上，侧面的四个孔为步

51、进电机安装位置，其臂宽根据步进电机安装齿轮的位置确定，确保齿轮安装在臂部的中间，以便于有足够的强度使得整个机构能平稳工作。小臂的三维软件图及工程图如图3-9所示： 图3-9 小臂3.4.3.3 小臂部分轴承的三维图及工程图的选取选取轴承为微型深沟球轴承，规格为8mm*12mm*2.5mm。如图3-10所示： 图3-10 轴承3.4.3.4 小臂部分步进电机的选取 张军,封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计.2004步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到

52、一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。所选步进电机的型号为： 42步进电机42BYGHW609 4线1.7A/3400G.CM电机的具体参数：电机的外形尺寸：小臂部分的电机通过外六角螺钉固定在小臂上，选择M8的外六角螺钉。三维软件绘制的步进电机如图3-11所示： 图3-11 步进电机外六角螺钉的三维图如图3-12所示： 图3-12 螺钉3.4.3.5 小臂部分齿轮的选取 本次设计机械手

53、小臂部分采用齿轮传动，通过大臂的步进电机驱动齿轮，传递给小臂上的齿轮，实现一定的传动比。根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下：(1) 传动比为i =1.5:1；(2) 两齿轮模数为m=1.0；(3) 压力角为= 20；(4) 中心距选择 =56mm。手腕的齿轮设计： 分度圆直径d=mZ=1.0*60=60mm， 基圆直径 =mzcos=55.8mm, 齿顶圆直径=m（z+2）=62mm, 齿根圆直径=m（z-2-2）=57.5mm, 标准中心距a=m（+)=56mm.齿轮三维图如3-13所示： 图3-13 齿轮3.4.3.6 小臂部分的三维软件总图如3-14所示： 图3-14 小臂部分装配总图

54、3.5 大臂部分各零件的计算3.5.1 大臂支板的确定 根据支板所承受的力的大小和自身重量，取壁厚为3mm。臂部的尺寸通过查阅机械手手册，以及强度的校核，选取板长为74mm,宽为30mm，高为65mm.。小臂部分通过齿轮传动装置，侧面的四个孔为步进电机安装位置，其臂宽根据步进电机安装齿轮的位置确定，确保齿轮安装在臂部的中间，以便于有足够的强度使得整个机构能平稳工作。大臂部分的三维软件图及工程图如图3-15所示： 图3-15 大臂3.5.2 大臂部分转轴的选取大臂上的转轴的直径为8mm的圆轴，其上的圆槽为安装卡簧的位置。腕部齿轮的厚度为10mm，通过键固定到转轴上。转轴两边通过轴承和卡簧连接到手

55、腕的耳板上。选择轴的材料，确定许用应力同小臂部分的转轴易知，大臂部分的转轴传递的功率属于中小功率，对材料无特殊要求，故选用45钢并调制处理。查机械设计手册轴的常用材料及其主要力学性能知强度极限，再由机械设计手册轴材料的许用弯曲应力表知许用弯曲应力。3.5.3 大臂部分轴承和卡簧的三维图及工程图的选取卡簧三维图如图3-15所示： 图3-15 卡簧3.5.4 大臂部分步进电机的选取及计算 由式轮传动比的计算知, 且，,故求得：, 在齿轮传动过程中齿轮传动损耗系数为，这里我们取，又因为所以将、带入求得：,由电机手册查得步进电机功率的计算公式为：则其中：表示电动机轴每秒的角速度，单位为弧度：表示电动机

56、的力矩，单位为牛顿米：表示电动机轴的转速，单位为每分钟转速 将,；,带入求得：,. 电动机参数见下表：电动机计算参数参数电动机一电动机二转数（）功率（）力矩() 三维软件绘制的步进电机图如图3-16所示： 图3-16 步进电机所选步进电机的型号为： 57系列三相步进电机 YK57HB56-03A YK57XN55-03A 电机的具体参数如图3-17所示： 图3-17 电机具体参数电机的外形尺寸如图3-18所示： 图3-18 电机外形该电机的矩频曲线图如图3-19所示： 图3-19 矩频曲线图3.5.5 大臂部分齿轮的选取 濮良贵,纪名刚.机械设计.第七版.北京：高等教育出版社.2001本次设计

57、机械手大臂部分采用齿轮传动，通过大臂上的步进电机驱动齿轮，传递给小臂上的齿轮，实现一定的传动比。根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下：(1) 传动比为i =1.5:1；(2) 两齿轮模数为m=1.0；(3) 压力角为= 20；(4) 中心距选择 =66mm。手腕的齿轮设计： 分度圆直径d=mZ=1.0*40=40mm， 基圆直径 =mzcos=37.2mm, 齿顶圆直径=m（z+2）=42mm, 齿根圆直径=m（z-2-2）=37.5mm, 标准中心距a=m（+)=66mm.大臂齿轮三维图如3-20所示： 图3-20 大臂齿轮3.5.6 底座的三维设计及工程图： 底座部分是用来固定机械手整个机

58、构的装置，在它上面有四个螺钉孔，通过螺纹连接固定大臂部分。底座部分用直径为180mm的圆形底盘，必须要有足够的承重，确保整体机构能够实现平稳运转。 另外，底座部分加工时应该确保基准的统一性，全部以中心线为基准参考线，加工时留有足够加工余量，确保装配时的精确啮合。三维图如3-21所示： 图3-21 底座3.5.7 大臂固定部分螺钉的选取：螺钉材料选择Q235，则（）螺钉的直径 螺钉的直径选择d=12mm.选择M12的外六角螺钉。外六角螺钉的三维软件图如3-22所示： 图3-22 螺钉3.5.8 大臂部分的三维软件总图如图3-23所示： 图3-23 大臂总图3.5.9 本章小结本章通过对机械手手臂的整体设计，通过大臂的步进电机带动齿轮1传递力矩给齿轮2，通过两个直齿轮的标准啮合，实现一定传动比，使得小臂部分可以实现上下的仰俯运动和一个摆动。总结 通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识。机械手的作用、组成和分类，学习了机械手自由度和确定整体座标的形式。同时，也给了我在以后的学习工作中许多宝贵的经验和解决问题的方法。也使我了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通