毕业设计多自由度铝合金机械手的设计与实现

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1、多自由度铝合金机械手的设计与实现作 者 姓 名 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 专业技术职务 讲 师 25目 录摘 要 3第一章 前言 41.1工业机械手概述 51.2机械手的组成和分类 51.2.1机械手的组成 51.2.2机械手的分类 61.3国内外发展状况 61.3.1机械手发展历史 61.3.2机械手发展趋势 71.4 本论文研究的内容及意义 8第二章 工业机械手的总体设计 92.1机械手基本形式的选择 92.2机械手的主要部件及运动 92.3驱动机构的选择 92.4机械手主要技术参数指标 11第三章 机械手的机械系统设计 123.1机械手的手部设计基本要求 123.2机

2、械手典型的手部结构 123.3 机械手手抓的设计计算 123.3.1选择机械手手抓的类型及夹紧装置 123.3.2手抓的力学分析 123.3.3手抓夹紧力及驱动力的计算 133.3.4手抓夹持范围计算 143.4销轴的选择与校核 15第四章 机械手驱动装置的选择 164.1机械手夹紧气缸的选择 164.1.1气缸直径的计算 174.1.2气缸型号的确定 174.2机械手上升气缸的选择 174.2.1手部重量的估算 174.2.2上升气缸型号的选择 184.2.3气缸控制回路原理图 184.3电机的选择 194.3.1电机的类型及作用 194.3.2电机的选择 204.4轴承的选择 214.4.

3、1轴承的类型及特点 214.4.2轴承的选择 214.5轴的设计 22第五章 总结与展望 23参考文献 25致 谢 26 摘 要机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。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的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机 械手设计的关 键参数。自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

4、一般专用机械手有23个自由度。本毕业设计中，采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。传动装置是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑、传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经

5、济性、实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计算及选型问题经行了分析。关键词：机械手 自由度 电机 执行机构 ABSTRACTThe manipulator is mainly composed of the hand and the motion. The hand is uses for to grasp holds the work piece (or tool) the part, according to is grasped holds the thing shape, the size, the weight, the material and the work request

6、 has many kinds of structural styles, like the clamp, the request hold and the adsorption and so on. The motion, causes the hand to complete each kind of rotation (swinging), the migration or the compound motion realizes the stipulation movement, changes is grasped holds the thing position and the p

7、osture. Motions fluctuation, the expansion, revolving and so on independence movement way, is called manipulators degree-of-freedom. In order to capture in the space the optional position and the position object, must have 6 degrees-of-freedom. The degree-of-freedom is the key parameter which the ma

8、nipulator designs. The degree-of-freedom are more, manipulators flexibility is bigger, the versatility is broader, its structure is also more complex. Generally the special-purpose manipulator has 23 degrees-of-freedom.In this article, the mechanical configuration combines the character of direction

9、 coordinate and the arthrosis coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission m

10、echanism transmits the rotary motion into linear motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. Th

11、e step motor can receive digital signal directly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only f

12、or control precision but also for the target of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. Key words：manipulator; degree-of-freedom; motor; implement department第一章 前言1.1工业机械手概述机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

13、不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的特点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化、自动化生产过程

14、中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好的实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲倦，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。1.2 机械手的组成和分类1.2.1机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成，如图

15、1-1所示。a. 执行机构：执行机构由抓取部分（手部），腕部，肩部和行走机构等运动部件组成。 b. 驱动机构：有气动，液动，电动和机械式四种形式。c. 控制系统：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程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，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。d. 基体（机身）：基体是整个机械手的基础。图1-1 工业机械手各部分的组成1.2.2机械手的分类机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各种规定的操作。它的

16、特点是具备普通的机械性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。他起源于原子、军事工业，首先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工作中采用的锻造操作机也属于之一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件输送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手属于第三类机械手。1.3 国内外发展状况1.3.1机械手发展历史机械

17、手是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。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1963年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教在现行机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、仰俯、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标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，专门生产工业机械手。1962年美国机械制造公司也试验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是

18、示教再现性。虽然这两种机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-Vicarm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，定位误差小于1毫米。联邦德国机械制造业是从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作业。联邦德国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。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一般是进口。目前，工业

19、机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。他没有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作过程中的人物。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和柔性制造单元FMC中的重要一环。1.3.2机械手发展趋势目前工业机械手主要用于机械加工、铸造、热处理、等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作

20、业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研究示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构建，如伸缩、摆动、升降、横移、仰卧等机构以及根据不同类型的夹紧装置，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的夹紧装置，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉和视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机

21、床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，他可按照事先指定的作业程序来完成规定的作业。此外，国外机械手的发展趋势是大力研制某种智能机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，既能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能，目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行操作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触

22、觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。1.4本论文研究的内容及意义随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 近20年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，

23、对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。 从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:1，而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6:4，甚至接近5:5。我国的气动行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递增率达20%以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、

24、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。本毕业设计中，设计的主要内容是多自由度铝合金机械手，能够实现三个关节的运动，采用电机与气缸相结合的控制方法。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。而在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。第二章 工业机器人的总体设计本课题是轻型平动搬运机械手的设计。本设计主要

25、任务是完成机械手的结构方面设计，因此对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。2.1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几种：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）球坐标型机械手；（4）多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。2.2机械手的主要部件及运动 在圆柱坐标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：手抓张合、手臂伸缩和机身回转。本设计机械手主要由3大部件和2个气缸组成：（1）手部：采用一个直线气缸，通过机构运

26、动实现手抓的张合。（2）臂部：采用一个直线气缸来实现手臂的升降。（3）机身：采用一个电机带动止推轴承来实现手臂的回转。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。驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动。其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动用的较少。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系

27、统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。通用机械手则考虑采用同一种形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。采用气压机构驱动机械手，结构简单、尺

28、寸紧凑、重量轻、控制方便、驱动力大等优点，因此本设计中机械手的驱动采用气压和电动。图2-1为机械手的运动控制路线图。图2-1 机械手的运动控制流程图由于气缸只能承受轴向力，而不能承受径向力，所以气缸在运动过程中需要有固定元件进行固定，以消去径向力的影响。在本设计中，采用了一个轴，轴的一端钻一个螺纹孔，把气缸的活塞杆与轴的内螺纹孔连接紧后，用活塞杆的力推动机械手运动。气缸选定之后采用脚座固定，固定于底盘上，图2-2为底盘的形状。图2-2 底盘2.4机械手的技术参数指标一、用途：用于车间搬运二、设计技术参数：1、抓重：20（夹持式手部）2、自由度数：3个自由度3、坐标型式：圆柱坐标4、最大工件半径

29、：905、手臂最大中心高：30 6、手臂运动参数伸缩速度：0.2m/s旋转速度：3.2 r/min第三章 机械手的机械系统设计3.1手部设计基本要求：1、应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。2、手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。3、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，尽可能是结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。3.2典型的手部结构1、回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种2、移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动3、平面平移型3.3机

30、械手手抓的设计计算3.3.1选择机械手手抓的类型及夹紧装置本设计是设计平动搬运型机械手，考虑到所要达到的原始参数：手抓张开角=，夹取重量为20。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。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指，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，其理论夹持误差为零。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，显然是不适合的，因此不选这种类型。通

31、过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。3.3.2手抓的力学分析 在进行手部设计时，要对手部进行受力分析，如图3-1所示。图3-1 手抓的受力分析图在上图中，1为手指，2为销轴，3为杠杆。在杠杆3的作用下，销轴3受到向上的拉力F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的作用力为F和F,其力的方向垂直于滑槽的中心线OO和OO，由F=0 得 F=F F=0 得 F= F=F由M（F）=0 得F= h=F=式中 a手指的回转中点到对称中心的距离（）， 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角由分析可知，当驱动力F一定时，角增大，则握力F也随之增大，但角过大会导致拉杆行程

32、过大，以及手部结构增大，因此最好=3040。3.3.3夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算：FKKG式中 K安全系数，通常1.22.0 K工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K可近似按下式计算：K=1+，其中= 运载时工件最大上升速度 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5s G被抓取工件所受的重力（N）计算：设a=50mm，b=200mm，1040，机械手达到最高响应时间为0.5s

33、，v=0.2m/s求夹紧力F和驱动力F。解：（1）设K=1.5 K=1+1+=1.04根据公式将已知条件带入： F=1.51.04109.8=152.86 N（2）根据驱动力公式得： F=30152.86 N=917.28 N（3）取=0.85 F=1079.15 N3.3.4手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指长200mm，如图3-2所示。当手抓没有张开角的时候，如图(a)所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R=40mm，当张开角60时，如图（b）所示，最大夹持半径R计算如下：R=121mm机械手的夹持半径从40mm121mm。图3-2 机械

34、手的夹持精度图3.4销轴的选择与校核销轴的材料为45钢，许用切应力=80MPa，许用挤压应力=120MPa，选取销轴的型号为GB/T 882 870销轴的抗剪强度公式：销轴的抗压强度公式：抗剪强度=10.7MPa抗压强度=1.3MPa ，因此销轴合适。设计完手部结构后，将手部的部件进行装配，装配图如图3-3所示。图3-3 机械手手部装配图第四章 机械手驱动装置的选择4.1机械手夹紧气缸的选择气缸一般分为单作用气缸和双作用气缸两类。单作用气缸的特点是：（1）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些；（2）用弹簧力或膜片力等复位，压缩空气能量的一部分用于克服弹

35、簧力或膜片张力，因而减小了活塞杆的输出力；（3）仅一端进（排）气，结构简单，耗气量小；（4）气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。由于以上特点，单作用活塞气缸多用于短行程。其推力及运动速度均要求不高场合，如气吊、定位和夹紧等装置上。单作用柱塞缸则不然，可用在长行程、高载荷的场合。双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气，实现双向运动的气缸。其结构可分为双活塞杆式、双活塞式、单活塞杆式、缓冲式和非缓冲式等。此类气缸使用最为广泛。双活塞杆双作用气缸有缸体固定和活塞杆固定两种。缸体固定时，其所带载荷与气缸两活塞杆连成一体，压缩空气依次进入气缸两腔（一腔进气另一

36、腔排气），活塞杆带动工作台左右运动，工作台运动范围等于其有效行程的3倍。安装所占空间大，一般用于小型设备上。活塞杆固定时，为管路连接方便，活塞杆制成空心，缸体与载荷连成一体，压缩空气从空心活塞杆的左端或右端进入气缸两腔，使缸体带动工作台向左或向左运动，工作台的运动范围为其有效行程的2倍。适用于中、大型设备。本设计中机械手的夹紧和上升采用气缸控制，而手臂的旋转采用电机控制。4.1.1气缸直径D的计算 气缸的工作压力在0.60.8Mpa内，取p=0.6Mpa，活塞杆直径d=0.5DF= D= =55.26选取气缸标准内径为：D=63 则活塞杆内径为d=630.5=31.5 ，选取d=32 。4.1

37、.2确定气缸的型号（1）气缸作用力的计算F= p=1387 NF 因此气缸的直径合适（2）气缸行程的确定由于=30，当爪部转动30时，两连接杆水平，所以气缸的行程为s=atan30=28.86，连杆中导轨可运动的长度为L=-=7.8（3）选择气缸 由D=63 ，s=28.86 ，p=0.8Mpa选择气缸的型号为CA1BN63-504.2机械手上升气缸的选择4.2.1手部重量的估算由于上升气缸支持着气缸以上的所有工件的重量，因此选择此气缸应先估算气缸以上的所有工件的重量。取铝合金的密度为2.7g/cm,手部的质量为：22.7 g/cm106.42.3+1.2 1.6+（10.7+12.5）1.8

38、+8.22-3.112cm=1.31手部与气缸之间的连接部件的重量为：7.85 g/cm8.712.52+6912.6 +6122=5.89气缸的重量为：1.5与气缸和机械手相连的底部托盘的重量为：7.85g/cm17.512.51=1.72轴的重量为：7.85g/cm (3.149.95-15153+3.1496.6+3.142.51+3.143=22轴承的重量为：18.1与下气缸相连的底盘的重量为：2.7g/cm（3.141920-3.1415.117）=28.35抓取物品的重量为204.2.2确定气缸的型号气缸上部的总重量为1.31+5.89+1.5+22+20=50.7作用于气缸上的力

39、为F=Kmg=1.04527.28N机械手上升的高度为30 因此选择气缸的型号与水平放置气缸的型号相同，为CA1BN63-504.2.3气缸控制回路原理图在4-1为气缸的控制回路原理图，1气马达；2总阀；3分水滤气器；4油雾器；5单向阀；6、7调速阀；8、9三位四通换向阀；10、11气缸图4-1 气缸控制回路原理图4.3电机的选择4.3.1电机的类型及特点步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。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

40、机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是

41、，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步电机为主。同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目

42、的。4.3.2电机的选择（1）各部件转动惯量的估算抓取零件的转动惯量：J=200.39=3.04 手部的转动惯量：J=1.310.36=0.17 连接部件的转动惯量：J=2.020.14=0.04 与气缸和机械手相连的底部托盘的转动惯量：J=7.85g/cm35.135.14（0.35+0.35）=0.79轴的转动惯量：J=0.08气缸的重量和尺寸比较小，转动惯量可忽略所以总转动惯量为J= J+ J+ J+ J+ J=4.12（2）选择电机本设计中采用斜齿-伞齿减速电机，其输出转速为3.2 r/min。计算：已知电机效率为=0.75，物体的总转动惯量为J=4.12，物体的转速为n=3.2r/m

43、in，求电机的功率和扭矩。解：由P得P=73.97 W 选取KA47R37DR63S4型号的电机，其功率为0.12kw，输出转速为n=3.2r/min，最大额定转矩T=290N，m=32电机的实际转矩T=9549=9549=20.89 NT，因此电机合适。（3）联轴器的型号的选择电机与轴之间采用联轴器，由国标GB/T3852-1997选择联轴器的型号为YL3型凸缘联轴器，重量为1.994.4轴承的选择4.4.1轴承的类型及特点一、深沟球轴承的特点：（1）在结构上深沟球轴承的每个套圈均具有横截面大约为球周长的三分之一的连续沟型滚道。它主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷；（2）在轴承的径

44、向游隙增大时，具有角接触球轴承的性质，可承受两个方向交变的轴向载荷；（3）摩擦小，转速高；（4）结构简单，制造成本低，容易达到较高的制造精度；（5）一般采用冲压浪形保持架，内径大于200mm或高速运转的轴承，采用车制实体保持架。二、角接触球轴承的特点：可同时承受径向负荷和轴向负荷，转速较高，接触角越大，轴向承载能力越高。单列轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力。 并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。若是成对双联安装，使一对轴承的外圈相对，即宽端面对宽端面，窄端面对窄端面。这样即可避免引起附加轴向力，而且可在两个方向使轴或外壳限制在轴向游隙范围内。角接触球轴承

45、的变型结构多达70多种。（1）名义接触角有15、 25、 40三种，接触角越大轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15接触角，在轴向力作用下，接触角会增大；（2）一般为内圈或外圈带锁口，内、外圈不可分离。外圈加热膨胀后与内圈、滚动体、 保持架组件装配。装球数比深沟球轴承多，额定负荷在球轴承中最大，刚性强，运转平稳；（3）可以利用内、外圈相互位移调整径向游隙。常成对使用，并施加预负荷，以提高轴承刚性。三、 圆柱滚子轴承的特点：（1）滚子与滚道为线接触，径向承载能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷；（2）摩擦系数小，适合高速，极限转速接近深沟球轴承；（3）N型及NU型可轴向移动，能适应因热膨胀或

46、安装误差引起的轴与外壳相对位置的变化，可作自由端支承使用。内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸；（4）对轴和座孔的加工要求较高，轴承安装后内外圈轴线相对偏斜要严加控制，以免造成接触应力集中；（5）内孔带1：12锥度的双列圆柱滚子轴承，径向游隙可以调整，径向刚度高，适应于机床主轴。4.4.2轴承的选择在本设计中轴承需要承受很大的轴向力，所要承受的径向力十分的小，因此选用了止推轴承和角接触球轴承，而角接触球轴承公称接触角为40，可以承受很大的轴向力，采用角接触球轴承的型号为7236AC。其外形如图4-2所示。图4-2 轴承4.5轴的设计在选定好轴承后，电动机输出地功率需要通过轴承与轴的连接传递到机械手

47、，因此需要对轴进行设计。由于在本设计中轴只承受轴向力和扭转，不承受径向力，因此只需要对轴的扭转进行校核。当轴的直径最小处满足扭转条件时，整根轴就满足扭转条件。抗扭截面系数W=134610 m轴的最大切应力为=15.5MPa由于轴的材料为45钢，=60MPa，所以，故此轴合适。图4-3是设计的轴的形状。图4-3 轴第五章 总结与展望此次我们做的毕业设计是工业机械手结构的设计，通过3个多月努力，设计终于顺利完成。这次设计给了我们一个很好的机会，使我们了解了设计工作的基本流程和设计的方法以及理念。在此次的毕业设计中，我们遇到了许多以前从未遇到过的问题，但过通过指导教师的指导和我们的努力，这些问题都得

48、到了很好的解决。虽然我们设计的只是个简单的机械手，但需要完成抓取，旋转等功能，对应分别要有抓取机构，旋转机构等来实现。通过这些机构的设计，使理论知识与实际相结合，巩固和深化了所学过的专业理论知识。由于此次设计是次创新设计，为了设计的机械手具有合理的结构和更高的性能，我们不断学习和修改。自学了许多相关学科的内容，求教了多位专业老师，上网或查阅大量相关资料。毕业设计过程中，我们在独立完成的同时也进一步加强了团队协作精神，取得了一定的成绩。通过这次毕业设计，我相信在以后的学习和工作过程中，一定可以好好的解决问题，提高自己的能力，较快地适应工作和社会激烈的竞争。参考文献1Craig, John J.I

49、ntroduction to roboticsM.北京:机械工业出版社,2006.2Basilio Bona，Aldo Curatella.Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced Model-Based Controllers DesignC. Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona.Spain, April 2005.3索罗门采夫.工业机器人图册M.北京：机械工业出版社，1

50、993. 4周伯英.工业机器人设计M.北京：机械工业出版社，1995.5王承义.机械手及其应用M.北京：机械工业出版社，1981.6三浦宏文.机电一体化实用手册M.科学出版社，2001.7郭洪红，贺继林，田宏宇等.工业机器人技术M.西安电子科技大学出版社，2006.8顾京.数控加工编程及操作M.北京：高等教育出版社，2003.9姜继海，宋锦春，高常识.液压与气动传动M.第二版.北京：高等教育出版社，2002.10液压元件样本M.机械工业出版社.11岑军键.非标准机械设计手册M.国防工业出版社，2008.12理论力学M.第六版.高等教育出版社，2002.13濮良贵，纪名刚.机械设计M.第七版.北

51、京：高等教育出版社，2001.14骆素君，朱诗顺.机械课程设计简明手册M.北京：化学工业出版社，2006.15孙燕华.AutoCAD2000机械制图M.北京：机械工业出版社，2002.16左建民.液压与气压传动M.第二版.北京：机械工业出版社，1999.17沈裕康,严武升,杨庚辰.电机与电器M.北京理工大学出版社，2002.18卢颂峰.机械设计课程设计手册M.第一版.中央广播电视大学出版社，1998.19吴宗泽.机械设计M.第一版.中央广播电视大学出版社，1998.20金大鹰.机械制图M.北京：机械工业出版社，2001.21杨黎明.机械零件设计手册M.第一版.国防工业出版社，1986.22柴鹏

52、飞.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2004.23陈立德.机械设计基础课程设计指导书M.第二版.北京：高等教育出版社，2004.24刘鸿文.材料力学 M.北京：高等教育出版社，2004.山东轻工业学院2010届本科毕业生论文致 谢在本设计的开题论证、课题研究、论文撰写和论文审校整个过程中，得到了闫鹏老师的亲切关怀和精心指导，使得本设计得以顺利完成，其中饱含了闫鹏老师的汗水和心血。老师敏锐的学术思想、严谨踏实的治学态度、渊博的学识、精益求精的工作作风、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在学生心中，使学生终生受益。在此我们向闫鹏老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。感谢学校给我们提供设计场地，和系领导的关心和指导，在设计过程中，结合工作体会和经历，提出了许多建设性的观点，为我完成设计给予了极大的帮助。感谢机械工程学院的领导和老师对我的关心和帮助。再次感谢所有支持和帮助过我的领导、老师、同学们。1