气动式机械手的手部设计2

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1、详情1040707438天津农学院毕 业 设 计 中文题目: 气动式机械手的手部设计 英文题目: Design of Pneumatic Manipulator hand学生姓名 系 别 机电工程系 专业班级 指导教师 成绩评定 2010 年 6月目录1 前言11.1 工业机械手的发展概况11.2 工业机械手在生产中的应用21.3 研究现状及发展趋势32 机械手总体设计方案32.1 机械手的组成32.1.1 执行机构42.1.2 驱动机构42.2 机械手基本形式的选择52.3 传动行走机构的选择52.4 机械手的主要部件及运动62.5 机械手参数列表63 机械手手部设计73.1 手部设计要求7

2、3.2 手部装配图73.3 真空发生器73.4 气动执行元件的选择93.4.1 单作用气缸的选择93.4.2 摆动气缸的选择94 结论11参 考 文 献12致 谢13附录1 外文文献原文14附录2 外文文献译文17附录3 图1 机械手整体装配图17附录4 图2 四缸传动部分装配图20附录5 图3 机械手手部装配图21摘 要随着制造加工行业的迅速发展，设备的自动化程度也越来越高。现代化的设备常常配置有机械手，以提高生产效率。机械手是工业自动控制领域中经常用到的一种能够自动抓取、操作的装置，多用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。气动技术是以压缩空气为介质，以气源为动力的能源传

3、递技术，其工作可靠性高、使用寿命长、对环境没有污染，所以在机械手的驱动系统中常采用气动技术。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。因此，对气动机械手的研究具有重要的实际意义。设计主要介绍了气动机械手的设计理论与方法，全面详尽的讨论了机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词： 机械手；气动技术；气缸；设计 ABSTRACTAt present, as the development of the Industrial automatic technology, the manipulator is mor

4、e and more used. Manipulator is often used in the field of industrial automation to automatically capture an operation of the device, and more for the automatic production line, automatic machine loading and unloading, CNC equipment, automatic tool changing device. As the pneumatic technology is com

5、pressed air as the medium to gas source for the power of the energy transfer technology, operational reliability, long life, no pollution to environment, so the manipulator drive system are often used in pneumatic technology. Pneumatic robot as a manipulator, it has a simple structure, light weight,

6、 fast, stable, reliable, energy-saving advantages and do not pollute the environment has been widely used. Therefore, pneumatic manipulator has important practical value.This paper mainly studies the design of pneumatic manipulators structure, include the hand, arm, body and so on.Key words: automat

7、ic; manipulator; pneumatic technology 1 前言用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿人手的部分动作，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【1】。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、电器气压技术、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

8、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

9、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【2】。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应用。1.1 工业机械手的发展概况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品【3】。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

10、械手。其结构主要是在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【4】。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。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。同期，该公司还试验成功一种叫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【5】。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

11、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由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米【6】。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力开展机械手的研究。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，机械手累计产量达56900台，位居世界首位，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

12、，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。当前，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。1.2 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。据资料介绍，美国生产的全部工

13、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%【7】。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；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。一般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

14、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【8】。各类半自动车床，有自动夹紧、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）和天津韩泰克电子

15、有限公司的精密自动化设备，可实现全自动化生产。1.3 研究现状及发展趋势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。它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【8】。气动机械手是机械手的一种，具有结构简单、动作迅速、节能、不污染环境等优点，被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工、食品和药品的包装、精密仪器和军事上【9】。随着气动机械手的重复精度越来越高，机械结构的模块化、可重构化发展，它的应

16、用领域也将更广阔【4】。2 机械手总体设计方案机械手总体设计方案见附录里图1。2.1 机械手的组成机械手是能够模仿人体上肢的部分功能，可以对其进行自动控制使其按照预定要求输送制品或操持工具进行生产操作的自动化生产设备。机械手是为生产自动化专门配备的机械，它可以在减轻繁重的体力劳动、改善劳动条件和安全生产；提高生产效率、稳定产品质量、降低废品率、降低生产成本、增强企业的竞争力等方面起到及其重要的作用【7】。工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成组成。2.1.1 执行机构（1）手部 机械手的手部是用来直接抓取制品的部件。由于制品的形状，大小，重量及表面特征等方面存在着差异，因此机械手的

17、手部有多种形式，一般可分为夹持式和吸附式两种。夹持式手部的主要形式为夹钳式，常用于抓取不易破碎或变形的制品，它对所抓取的制品的形状有较大的适应性。但对表面光滑、材料易碎、容易变形、容易划伤的物件的搬运，吸附式手部具有更高的工作效率。传力机构形式较多，常用的有滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。(2)腕部 机械手的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。腕部有独立的自由度，能进行回转运动、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，

18、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气缸。(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），并带动它们做空间运动。臂部运动的目的是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（如气缸或者液压缸）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，目前我国的尚处于仿真阶段。2.1.2 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。5