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Industrial machinery hand technique level and the application in a certain extent reflects a country's level of industrial automation, at present, the industry manipulator is mainly responsible for the welding, spraying, handling, pick-up and stacking, repetitive and labor-intensive work, working manner generally taken by way of teaching and playback. This paper is to design a oblique arm manipulator, which has three degrees of freedom, the finished product used to remove the for injection molding machine.The oblique arm manipulator mechanism comprises a pneumatic control unit, electric control unit, mechanical structure. Gas powered pneumatic unit. In this paper, three-dimensional modeling of the whole oblique arm robotic machine using the SOLIDWORKS software, and derive the two-dimensional engineering drawing.Keywords: manipulator, mechanical structure, pneumatic control unit, 3D modeling目录摘要iAbstractii第一章 引言11.1 课题研究的目的及意义11.2课题的研究现状及发展趋势11.2.1国内的研究现状11.2.2国外研究现状21.2.3 发展趋势31.3 机械手的组成和分类31.3.1机械手的组成31.3.2机械手的分类51.4 课题设计思路61.5 课题设计结构6第二章 斜臂机械手的总体设计方案82.1斜臂机械手的组成及各部分关系概述82.2 斜臂机械手驱动方案的确认82.3  机械手基本形式的选择82.3.1  直角坐标型机械手82.3.2  圆柱坐标型机械手92.3.3  极坐标型机械手92.3.4  多关节机械手92.4 总体方案拟定10第三章 斜臂机械手整体结构的设计计算123.1  X轴引拨机构设计123.1.1 引拔气缸参数计算123.2  Z轴气缸的设计133.3 夹持结构的设计143.3.1 夹紧力计算143.3.2  驱动力计算153.3.3 气缸驱动力计算153.3.4 选用夹持器气缸163.3.5 手爪的夹持误差及分析163.3.6 楔块等尺寸的确定183.3.7 材料及连接件选择214.1 Solidworks软件简介224.2 零件建模244.2.1轴三维建模的形成244.2.2 大臂的三维建模形成244.2.3其他零件的三维模型造型254.3零件装配264.4三维向二维的转换28第五章 结论315.1 本设计所取得的结果315.2 技术展望31参考文献32致谢33 充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台斜臂式机械手，其拥有三个自由度，用于给注塑机取出成品。本斜臂机械手机械机构包括，气动控制单元，电气控制单元，机械结构组成。气动单元提供动力。本文利用 SOLIDWORKS 软件对整个斜臂机械手整机进行三维建模，并导出二维工程图。关键词：机械手，机械结构，气动控制单元，三维建模充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸 iAbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, the general importance of the production process automation, industrial machinery hand as an important member of automatic production line, gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial machinery hand technique level and the application in a certain extent reflects a countrys level of industrial automation, at present, the industry manipulator is mainly responsible for the welding, spraying, handling, pick-up and stacking, repetitive and labor-intensive work, working manner generally taken by way of teaching and playback. This paper is to design a oblique arm manipulator, which has three degrees of freedom, the finished product used to remove the for injection molding machine.The oblique arm manipulator mechanism comprises a pneumatic control unit, electric control unit, mechanical structure. Gas powered pneumatic unit. In this paper, three-dimensional modeling of the whole oblique arm robotic machine using the SOLIDWORKS software, and derive the two-dimensional engineering drawing.Keywords: manipulator, mechanical structure, pneumatic control unit, 3D modeling充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸 ii目录摘要 .iAbstract.ii第一章 引言 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 课题的研究现状及发展趋势 .11.2.1 国内的研究现状 .11.2.2 国外研究现状 .21.2.3 发展趋势 .31.3 机械手的组成和分类 .31.3.1 机械手的组成 .31.3.2 机械手的分类 .51.4 课题设计思路 .61.5 课题设计结构 .6第二章 斜臂机械手的总体设计方案 .82.1 斜臂机械手的组成及各部分关系概述 .82.2 斜臂机械手驱动方案的确认 .82.3 机械手基本形式的选择 .82.3.1 直角坐标型机械手 .82.3.2 圆柱坐标型机械手 .92.3.3 极坐标型机械手 .92.3.4 多关节机械手 .92.4 总体方案拟定 .10第三章 斜臂机械手整体结构的设计计算 .123.1 X 轴引拨机构设计 .123.1.1 引拔气缸参数计算 .12充值购买-下载设计文档后，加 Q-1459919609 免费领取图纸 iii3.2 Z 轴气缸的设计 .133.3 夹持结构的设计 .143.3.1 夹紧力计算 .143.3.2 驱动力计算 .153.3.3 气缸驱动力计算 .153.3.4 选用夹持器气缸 .163.3.5 手爪的夹持误差及分析 .163.3.6 楔块等尺寸的确定 .183.3.7 材料及连接件选择 .214.1 Solidworks 软件简介 .224.2 零件建模 .244.2.1 轴三维建模的形成 .244.2.2 大臂的三维建模形成 .244.2.3 其他零件的三维模型造型 .254.3 零件装配 .264.4 三维向二维的转换 .28第五章 结论 .315.1 本设计所取得的结果 .315.2 技术展望 .31参考文献 .32致谢 .33 0第一章 引言1.1 课题研究的目的及意义随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机械手所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。本课题中斜臂机械手系统主要采用气压驱动。1.2 课题的研究现状及发展趋势1.2.1 国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机械手的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机械手，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机械手，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手，沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等等。这些机械手的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械手研究所开发的，同时一系列的机械手关键部件也被开发出来，如机械手专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM 等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械 1手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，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，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。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、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。1.2.2 国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962 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再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机械手相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.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。联邦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作业：联邦德国 Kuka 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，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助 2性工作。1.2.3 发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3M/S，良新产品可以达到 6 轴，负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式; 指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2、手腕 3是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 4(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服 5驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.4 课题设计思路1）参考所有与机械手产品相关数据，了解整个斜臂机械手的整机系统的组成。2）斜臂机械手整机方案的确认。3）斜臂机械手整机的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。4）斜臂机械手整机三维建模。1.5 课题设计结构本文以斜臂机械手项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 6第一章前言部分，主要介绍斜臂机械手的研究现状和课题研究的目的及意义；第二章对整个斜臂机械手的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个斜臂机械手的设计计算；第四章对斜臂机械手进行三维建模；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 7第二章 斜臂机械手的总体设计方案2.1 斜臂机械手的组成及各部分关系概述斜臂机械手主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制系统组成。执行系统：执行系统是斜臂机械手完成工作的部件。驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。2.2 斜臂机械手驱动方案的确认目前机械设备的主要驱动形式有三大类：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动具有输出功率大、控制精度高、可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制等优点。但是液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、压力损失等)，传动效率相对低。液压传动需要配套设备如：液压站、各种液压控制阀等，它适用于重载、低速驱动，成本高，体积大。并不适合。气动驱动功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小，成本低。符合本文需求。电机驱动与气动驱动和液压驱动相比，具有能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服性好等优点；单对于本机械手来说，结构相对复杂，要求精度较高，不符合本文要求。2.3 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 4 种，如图 2-1所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.3.1 直角坐标型机械手 直角坐标型机械手，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的，3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是：(1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 8(2)计算比较方便。(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。(5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.3.2 圆柱坐标型机械手圆柱坐标型机械手，R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 R 是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.3.3 极坐标型机械手 极坐标型机械手又称为球坐标机械手，R， 和 为坐标系的坐标。其中 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机械手运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：(1)在中心支架附近的工作范围较大。(2)两个转动驱动装置容易密封。(3)覆盖工作空间较大。(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。(5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.3.4 多关节机械手 多关节机械手，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、 和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。 9(2 关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型图 2-1 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型.2.4 总体方案拟定因为本机械手工作范围不大大，位置精度要求不高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用三自由度的机械手：自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用气缸达来实现，气缸带动角度选择架完成回转运动。其行 10程角度靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆气缸缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）X 轴伸缩自由度。拟采用气缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。 11第三章 斜臂机械手整体结构的设计计算3.1 X 轴引拨机构设计X 轴方向参数如下：（1）伸缩长度：250mm；（2）单方向伸缩时间：12S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无刚性冲击；3.1.1 引拔气缸参数计算预选气缸的缸径及缸桶壁厚:根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力 F。取 =0.2 F=W=0.2*300=60（N） （3-1） 【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力 p。p 应小于减压阀进口压力的 85%。已知 F, 和 p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 d/D=0.30.4，由式（3-2）至式（3-4） ，便可选定缸径 D，缸径 D 的尺寸应标准化.（3-2） 【6】 MPa490（3-3） 【6】pF2(3-4) 【6】%10解得 D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径 D 取 18mm。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算：(3-4) 【6】)(05.2cmpDb式中：D为缸筒内径(cm)，P为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MPa） 。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的 7 倍，再圆整到标准管材尺寸， 12这里 b 取 2mm。预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为 350mm。验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率 =50%、气缸的行程L=350mm 和气缸的动作时间 t=1.5s,由气动手册 P293 图 9-7 可查得气缸的理论基准速度=700.由表 9-20，可查得气缸的最大速度 与理论基准速度 之比 a 值为 0.9，从而求的0u maxu0u气缸的最大速度 =630。maxu查得气缸的负载质量 M 和最大速度 的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示max负载运动的动能 小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要2max1u求。计算气缸的空气消费量：该气缸的空气消费量为 min)/(19)02.()(0157.2LpNldLDqca 3.2 Z 轴气缸的设计设计参数：（1）横行长度：650mm；（2）单方向伸缩时间：3.54.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）缸体与引拔连接推动引拔左右移动，伸缩终点无刚性冲击；本次横进气缸预选不锈钢迷你缸根据导向精度、最大允许负载和最大允许力矩选用无杆气缸的系列和缸径。最大允许负载和最大允许力矩与导向型式、受力姿势、活塞运动和缸径有关。由于考虑气缸不能承受大的集中载荷，故在气缸两侧设立 2 个导轨代替气缸承受机械臂的质量，故气缸的承受载荷不予虑。因为横进系统的额定最大行程为 650mm，负载为 80N预选气缸缸径为 20mm，因为气缸的工作压力为 0.49MPa,本气缸的理论输出力为 220N，满足系统要求。 133.3 夹持结构的设计夹持器设计的基本要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为 80mm 放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度 20mm/s；（3）工件的材质为 2kg；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。3.3.1 夹紧力计算手指夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：（3-5） 【4】GKFN321式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5；1K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数2, ，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值02.18.9/ga（m/s） ；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，3K手指与工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，V 14， 为摩擦系数， 为 型手指半角，此处粗略计算 , fKsin5.03fV43KG被抓取工件的重量求得夹紧力 ， ，取整为 120N。NF NMgK85.17.9240.15321 3.3.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：（3-6） 【4】 abFCNsin2式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角a可得 ，得出 F 为理论计算值，实际采取65.83341sin862034sin2bFN的气缸驱动力 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 0.80.9，此处取 0.88，则：，取073.958.63 FNF963.3.3 气缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，气缸为单作用缸，提供推力：（ 3-7） 【4】pDF24推式中 活塞直径D活塞杆直径d驱动压力，p,工作压力 P=0.49MPa F推据公式计算可得气缸内径： mpD798.154.0364 根据气动设计手册，圆整后取 D=16mm。活塞行程，当抓取 80mm 工件时，即手爪从张开 120mm 减小到 80mm，楔快向前移动大约 1540mm。取气缸行程 S=40mm。3.3.4 选用夹持器气缸长沙华德液压气动有限公司所生产的 QCG 薄型气缸 QGD16-40 刚好满足条件，所以选取这个气缸。3.3.5 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定） ，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 3-1，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 ，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制1m系统补偿能力。R1,R2-工件半径 C1C2=图 3-1 夹持误差图工件直径为 80mm，尺寸偏差 ，则 ， ， 。5max42.5Rmin37.5Rm40epR本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 3-2 16图 3-2 楔块杠杆式夹持器若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示，根据几何关系有：22()cossininABABRXlla简化为： 2221)(i)ill该方程为双曲线方程，如图 3-3：图 3-3 工件半径与夹持误差 关系曲线由上图得，当工件半径为 时，X 取最小值 ，又从上式可以求出：0RminX，通常取 ,0sincoABRl21minsABl若工件的半径 变化到 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用 表示。maxi 在设计中，希望按给定的 和 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方axRin面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角 ，使夹持 17误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 取为 时，夹持误差epR0最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 a 值较大时） ，偏转角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和 边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径 ，以BE epR为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，即下式：90CD 1cos()inepABRal其中 , , 型钳的夹角2am86ABlV210代入得出： 10cos(45)6.7in8 则 0sin86cs.1.02ABRl m则 ，此时定位误差为 和 中的最大值。minax1222 2maxin1()cossinsiABABABRllla2222minin() islll分别代入得：，10.5620.148所以， ，夹持误差满足设计要求。.由以上各值可得： 2221(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam取值为 。56m3.3.6 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 18图 3-4 楔块进入手爪受力图上图 3-4 中斜楔角， 时有增力作用；30滚子与斜楔面间当量摩擦角， ， 为滚子与转轴间的摩擦角，2 22tan()tandD为转轴直径， 为滚子外径， ， 为滚子与转轴间摩擦系数; dDtf支点 至斜面垂线与杠杆的夹角；O杠杆驱动端杆长；l杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率斜楔的传动效率:斜楔的传动效率 可由下式表示：2sin=()22tantdD杠杆传动机械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，则可得 = , 2t 14.036，取整得 = 。29014动作范围分析：阴影部分杠杆手指的动作范围，即 ，见图 3-529 19图 3-5 动作范围分析图如果 ，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以2必须大于 。此外，当 时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上 90干涉，即为手指动作的理论极限位置。斜楔驱动行程与手指开闭范围:当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由 位置转到 位置，其驱动行程可用12下式表示： 1212cos(cos)inilll杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：12s()s()l通常状态下， 在 左右范围内， 则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条290件可知最大 为 55-60mm,最小设定为 30mm.即 。已知 ，可得s30(560)s14，有图 3-6 关系：29076图 3-6 楔块尺寸示意图 20可知：楔块下边为 60mm，支点 O 距中心线 30mm，且有 ，解得：30()tgl120l与 的确定:斜楔传动比 可由下式表示：l isinlL可知 一定时， 愈大， 愈大，且杠杆手指的转角 在 范围内增大时，传动比li 90减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由 分配距离为： ，12l50l。70l确定 :由前式得：1(63)0s， ，取 。17cos(4)cos(7614)150.623150确定: 为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有图 3-7 中关系L图 3-7 L 对中心线的驱动方程的示意图，取 ，则楔块上边长为 18.686，取 19mm.50(cos76)82.50in14L 833.3.7 材料及连接件选择V 型指与夹持器连接选用圆柱销 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 个。杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 个。滚子与手指连接选用圆柱销/19.GBT， d=4mm, 需使用 2 个。以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径1.2mm 的圆孔，用 GB/T91 1.2X8 的开口销连接。楔块与活塞杆铰链联结。 21第四章 斜臂机械手三维造型的设计4.1 Solidworks 软件简介首先我要对 Solidworks 进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式 CAD 设计软件，在业界被称为“3D 机械设计方案的领先者 ”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用 Solidworks 已经成为最基本的技能之一。与传统的 2D 机械制图相比，参变量式 CAD 设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的 CAD 设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如 摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运、取件以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台斜臂式机械手，其拥有三个自由度，用于给注塑机取出成品。本斜臂机械手机械机构包括，气动控制单元，电气控制单元，机械结构组成。气动单元提供动力。本文利用 SOLIDWORKS 软件对整个斜臂机械手整机进行三维建模，并导出二维工程图。关键词：机械手，机械结构，气动控制单元，三维建模 iAbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve production efficiency, ensure product quality, the general importance of the production process automation, industrial machinery hand as an important member of automatic production line, gradually recognized and adopted by enterprises. Industrial machinery hand technique level and the application in a certain extent reflects a countrys level of industrial automation, at present, the industry manipulator is mainly responsible for the welding, spraying, handling, pick-up and stacking, repetitive and labor-intensive work, working manner generally taken by way of teaching and playback. This paper is to design a oblique arm manipulator, which has three degrees of freedom, the finished product used to remove the for injection molding machine.The oblique arm manipulator mechanism comprises a pneumatic control unit, electric control unit, mechanical structure. Gas powered pneumatic unit. In this paper, three-dimensional modeling of the whole oblique arm robotic machine using the SOLIDWORKS software, and derive the two-dimensional engineering drawing.Keywords: manipulator, mechanical structure, pneumatic control unit, 3D modeling ii目录摘要 .iAbstract.ii第一章 引言 .11.1 课题研究的目的及意义 .11.2 课题的研究现状及发展趋势 .11.2.1 国内的研究现状 .11.2.2 国外研究现状 .21.2.3 发展趋势 .31.3 机械手的组成和分类 .31.3.1 机械手的组成 .31.3.2 机械手的分类 .51.4 课题设计思路 .61.5 课题设计结构 .6第二章 斜臂机械手的总体设计方案 .82.1 斜臂机械手的组成及各部分关系概述 .82.2 斜臂机械手驱动方案的确认 .82.3 机械手基本形式的选择 .82.3.1 直角坐标型机械手 .82.3.2 圆柱坐标型机械手 .92.3.3 极坐标型机械手 .92.3.4 多关节机械手 .92.4 总体方案拟定 .10第三章 斜臂机械手整体结构的设计计算 .123.1 X 轴引拨机构设计 .123.1.1 引拔气缸参数计算 .12 iii3.2 Z 轴气缸的设计 .133.3 夹持结构的设计 .143.3.1 夹紧力计算 .143.3.2 驱动力计算 .153.3.3 气缸驱动力计算 .153.3.4 选用夹持器气缸 .163.3.5 手爪的夹持误差及分析 .163.3.6 楔块等尺寸的确定 .183.3.7 材料及连接件选择 .214.1 Solidworks 软件简介 .224.2 零件建模 .244.2.1 轴三维建模的形成 .244.2.2 大臂的三维建模形成 .244.2.3 其他零件的三维模型造型 .254.3 零件装配 .264.4 三维向二维的转换 .28第五章 结论 .315.1 本设计所取得的结果 .315.2 技术展望 .31参考文献 .32致谢 .33 0第一章 引言1.1 课题研究的目的及意义随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机械手所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。本课题中斜臂机械手系统主要采用气压驱动。1.2 课题的研究现状及发展趋势1.2.1 国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的 手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中工作：代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。目前主要应用与制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。我国工业机械手的研究与开发始于 20 世纪 70 年代。1972 年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机械手的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机械手，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机械手，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手，沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等等。这些机械手的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械手研究所开发的，同时一系列的机械手关键部件也被开发出来，如机械手专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DCPWM 等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械 1手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、锻造。热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，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，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。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、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。1.2.2 国外研究现状国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。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 发生少许偏差时候，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定的成绩。1962 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再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动；控制系统用磁鼓做储存装置。不少球面坐标式机械手就是在这个基础上发展起来的；同年该公司和普曼公司合并成为万能制动公司，专门生产工业机械手。1962 年美国机械铸造公司也实验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运，可做点位和轨迹控制：该机械手的中央立柱可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这 2 种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。从 60 年代后期起，喷漆、弧焊工业机械手相继在生产中开始应用。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制出一种UnimationVic.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。联邦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作业：联邦德国 Kuka 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，应用国家最多的国家，自 1969 年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之一。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化、自动化程序较低、繁重单调、有害于健康的辅助 2性工作。1.2.3 发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到 3M/S，良新产品可以达到 6 轴，负载 2KG 的产品系统总重已突破 100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.3 机械手的组成和分类1.3.1 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。(一)执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V 形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式; 指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2、手腕 3是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有四个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。6、机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。(二)驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 4(三)控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。(四)位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.1.3.2 机械手的分类工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。(一)按用途分机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:1、专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手。2、通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制；同时还可分为伺服型和一般型的机械手，伺服型具有伺服系统定位控制系统，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。(二)按驱动方式分1、液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服 5驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。2、气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在 30 公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。3、机械传动机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。4、电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。(三)按控制方式分1、点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。2、连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。1.4 课题设计思路1）参考所有与机械手产品相关数据，了解整个斜臂机械手的整机系统的组成。2）斜臂机械手整机方案的确认。3）斜臂机械手整机的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。4）斜臂机械手整机三维建模。1.5 课题设计结构本文以斜臂机械手项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 6第一章前言部分，主要介绍斜臂机械手的研究现状和课题研究的目的及意义；第二章对整个斜臂机械手的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个斜臂机械手的设计计算；第四章对斜臂机械手进行三维建模；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 7第二章 斜臂机械手的总体设计方案2.1 斜臂机械手的组成及各部分关系概述斜臂机械手主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制系统组成。执行系统：执行系统是斜臂机械手完成工作的部件。驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。2.2 斜臂机械手驱动方案的确认目前机械设备的主要驱动形式有三大类：液压驱动、气动驱动和电机驱动。液压驱动具有输出功率大、控制精度高、可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制等优点。但是液压传动有较多的能量损失(泄漏损失、压力损失等)，传动效率相对低。液压传动需要配套设备如：液压站、各种液压控制阀等，它适用于重载、低速驱动，成本高，体积大。并不适合。气动驱动功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小，成本低。符合本文需求。电机驱动与气动驱动和液压驱动相比，具有能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服性好等优点；单对于本机械手来说，结构相对复杂，要求精度较高，不符合本文要求。2.3 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 4 种，如图 2-1所示：（1）直角坐标型机械手；（2）圆柱坐标型机械手；（3）极坐标型机械手；(4)多关节型机械手。2.3.1 直角坐标型机械手 直角坐标型机械手，它在 x,y,z 轴上的运动是独立的，3 个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特点是：(1)在三个直线方向上移动，运动容易想象。 8(2)计算比较方便。(3)由于可以两端支撑，对于给定的结构长度，其刚性最大。(4)要求保留较大的移动空间，占用空间较大。(5)要求有较大的平面安装区域。(6)滑动部件表面的密封较困难，容易被污染。2.3.2 圆柱坐标型机械手圆柱坐标型机械手，R、 和 x 为坐标系的三个坐标，其中 R 是手臂的径向长度，是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特点是：(1)容易想象和计算。(2)能够伸入形腔式机器内部。(3)空间定位比较直观。(4)直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀物质。(5)手臂端部可以达到的空间受限制，不能到达靠近立柱或地面的空间。2.3.3 极坐标型机械手 极坐标型机械手又称为球坐标机械手，R， 和 为坐标系的坐标。其中 是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角， 是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机械手运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：(1)在中心支架附近的工作范围较大。(2)两个转动驱动装置容易密封。(3)覆盖工作空间较大。(4)坐标系较复杂，较难想象和控制。(5)直线驱动装置仍存在密封问题。(6)存在工作死区。2.3.4 多关节机械手 多关节机械手，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。、 和 为坐标系的坐标，其中 是绕底座铅垂轴的转角， 是过底座的水平线与第一臂之间的夹角， 是第二臂相对于第一臂的转角。这种机械手手臂可以达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：(1)动作较灵活，工作空间大。 9(2 关节驱动处容易密封防尘。(3)工作条件要求低，可在水下等环境中工作。(4) 适合于电动机驱动。(5)运动难以想象和控制，计算量较大。(6)不适于液压驱动。 直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型 多关节型图 2-1 工业机械手基本结构形式本课题要求机械手为直角坐标型.2.4 总体方案拟定因为本机械手工作范围不大大，位置精度要求不高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设计采用三自由度的机械手：自由度具体分配如下：1）手臂回转自由度。拟采用气缸达来实现，气缸带动角度选择架完成回转运动。其行 10程角度靠挡块和限位行程开关来调整。3）手臂伸缩自由度。由于气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆气缸缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。4）X 轴伸缩自由度。拟采用气缸来实现。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。 11第三章 斜臂机械手整体结构的设计计算3.1 X 轴引拨机构设计X 轴方向参数如下：（1）伸缩长度：250mm；（2）单方向伸缩时间：12S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）前端安装机械臂连接块，伸缩终点无刚性冲击；3.1.1 引拔气缸参数计算预选气缸的缸径及缸桶壁厚:根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力 F。取 =0.2 F=W=0.2*300=60（N） （3-1） 【6】根据负载的运动状态，预选气缸的负载率 。取 =50%根据气源供气条件，确定气缸的使用压力 p。p 应小于减压阀进口压力的 85%。已知 F, 和 p，对双作用气缸，预选杆径与缸径之比 d/D=0.30.4，由式（3-2）至式（3-4） ，便可选定缸径 D，缸径 D 的尺寸应标准化.（3-2） 【6】 MPa490（3-3） 【6】pF2(3-4) 【6】%10解得 D17.66 考虑到气缸的行程比较长缸径 D 取 18mm。缸桶壁厚可根据薄壁筒的计算公式计算：(3-4) 【6】)(05.2cmpDb式中：D为缸筒内径(cm)，P为缸筒承受的最大气压力(MPa)，为缸筒材料的需用应力（MPa） 。缸筒壁厚的实际取值，对于一般用途气缸约取计算值的 7 倍，再圆整到标准管材尺寸， 12这里 b 取 2mm。预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比预选气缸行程为 350mm。验算缓冲能力：根据气缸的运动状态是输出拉力、负载率 =50%、气缸的行程L=350mm 和气缸的动作时间 t=1.5s,由气动手册 P293 图 9-7 可查得气缸的理论基准速度=700.由表 9-20，可查得气缸的最大速度 与理论基准速度 之比 a 值为 0.9，从而求的0u maxu0u气缸的最大速度 =630。maxu查得气缸的负载质量 M 和最大速度 的交点在预选气缸缸径的缓冲曲线之下，表示max负载运动的动能 小于气缸允许吸收的最大能量，所以该预选缸径的缓冲能力满足要2max1u求。计算气缸的空气消费量：该气缸的空气消费量为 min)/(19)02.()(0157.2LpNldLDqca 3.2 Z 轴气缸的设计设计参数：（1）横行长度：650mm；（2）单方向伸缩时间：3.54.5S；（3）定位误差：要有定位措施，定位误差小于 2mm；（4）缸体与引拔连接推动引拔左右移动，伸缩终点无刚性冲击；本次横进气缸预选不锈钢迷你缸根据导向精度、最大允许负载和最大允许力矩选用无杆气缸的系列和缸径。最大允许负载和最大允许力矩与导向型式、受力姿势、活塞运动和缸径有关。由于考虑气缸不能承受大的集中载荷，故在气缸两侧设立 2 个导轨代替气缸承受机械臂的质量，故气缸的承受载荷不予虑。因为横进系统的额定最大行程为 650mm，负载为 80N预选气缸缸径为 20mm，因为气缸的工作压力为 0.49MPa,本气缸的理论输出力为 220N，满足系统要求。 133.3 夹持结构的设计夹持器设计的基本要求：（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（5）应考虑通用性和特殊要求。设计参数及要求（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧放松；（2）所要抓紧的工件直径为 80mm 放松时的两抓的最大距离为 110-120mm/s ， 1s 抓紧,夹持速度 20mm/s；（3）工件的材质为 2kg；（4）夹持器有足够的夹持力；（5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由气缸提供动力。3.3.1 夹紧力计算手指夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：（3-5） 【4】GKFN321式中：安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取 1.22.0，取 1.5；1K工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数2, ，a 为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值02.18.9/ga（m/s） ；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，3K手指与工件位置：手指垂直放置 工件水平放置；手指与工件形状： 型指端夹持圆柱型工件，V 14， 为摩擦系数， 为 型手指半角，此处粗略计算 , fKsin5.03fV43KG被抓取工件的重量求得夹紧力 ， ，取整为 120N。NF NMgK85.17.9240.15321 3.3.2 驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：（3-6） 【4】 abFCNsin2式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角a可得 ，得出 F 为理论计算值，实际采取65.83341sin862034sin2bFN的气缸驱动力 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率 ，一般取 0.80.9，此处取 0.88，则：，取073.958.63 FNF963.3.3 气缸驱动力计算设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，气缸为单作用缸，提供推力：（ 3-7） 【4】pDF24推式中 活塞直径D活塞杆直径d驱动压力，p,工作压力 P=0.49MPa F推据公式计算可得气缸内径： mpD798.154.0364 根据气动设计手册，圆整后取 D=16mm。活塞行程，当抓取 80mm 工件时，即手爪从张开 120mm 减小到 80mm，楔快向前移动大约 1540mm。取气缸行程 S=40mm。3.3.4 选用夹持器气缸长沙华德液压气动有限公司所生产的 QCG 薄型气缸 QGD16-40 刚好满足条件，所以选取这个气缸。3.3.5 手爪的夹持误差及分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定） ，而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图 3-1，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过 ，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制1m系统补偿能力。R1,R2-工件半径 C1C2=图 3-1 夹持误差图工件直径为 80mm，尺寸偏差 ，则 ， ， 。5max42.5Rmin37.5Rm40epR本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图 3-2 16图 3-2 楔块杠杆式夹持器若把工件轴心位置 C 到手爪两支点连线的垂直距离 CD 以 X 表示，根据几何关系有：22()cossininABABRXlla简化为： 2221)(i)ill该方程为双曲线方程，如图 3-3：图 3-3 工件半径与夹持误差 关系曲线由上图得，当工件半径为 时，X 取最小值 ，又从上式可以求出：0RminX，通常取 ,0sincoABRl21minsABl若工件的半径 变化到 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用 表示。maxi 在设计中，希望按给定的 和 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方axRin面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角 ，使夹持 17误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径 取为 时，夹持误差epR0最小。此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当 a 值较大时） ，偏转角 的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两手爪的和 边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径 ，以BE epR为条件确定两支点回转型手爪的偏转角 ，即下式：90CD 1cos()inepABRal其中 , , 型钳的夹角2am86ABlV210代入得出： 10cos(45)6.7in8 则 0sin86cs.1.02ABRl m则 ，此时定位误差为 和 中的最大值。minax1222 2maxin1()cossinsiABABABRllla2222minin() islll分别代入得：，10.5620.148所以， ，夹持误差满足设计要求。.由以上各值可得： 2221(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam取值为 。56m3.3.6 楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 18图 3-4 楔块进入手爪受力图上图 3-4 中斜楔角， 时有增力作用；30滚子与斜楔面间当量摩擦角， ， 为滚子与转轴间的摩擦角，2 22tan()tandD为转轴直径， 为滚子外径， ， 为滚子与转轴间摩擦系数; dDtf支点 至斜面垂线与杠杆的夹角；O杠杆驱动端杆长；l杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机械效率斜楔的传动效率:斜楔的传动效率 可由下式表示：2sin=()22tantdD杠杆传动机械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，则可得 = , 2t 14.036，取整得 = 。29014动作范围分析：阴影部分杠杆手指的动作范围，即 ，见图 3-529 19图 3-5 动作范围分析图如果 ，则楔面对杠杆作用力沿杆身方向，夹紧力为零，且为不稳定状态，所以2必须大于 。此外，当 时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上 90干涉，即为手指动作的理论极限位置。斜楔驱动行程与手指开闭范围:当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为 L，此时对应的杠杆手指由 位置转到 位置，其驱动行程可用12下式表示： 1212cos(cos)inilll杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：12s()s()l通常状态下， 在 左右范围内， 则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条290件可知最大 为 55-60mm,最小设定为 30mm.即 。已知 ，可得s30(560)s14，有图 3-6 关系：29076图 3-6 楔块尺寸示意图 20可知：楔块下边为 60mm，支点 O 距中心线 30mm，且有 ，解得：30()tgl120l与 的确定:斜楔传动比 可由下式表示：l isinlL可知 一定时， 愈大， 愈大，且杠杆手指的转角 在 范围内增大时，传动比li 90减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由 分配距离为： ，12l50l。70l确定 :由前式得：1(63)0s， ，取 。17cos(4)cos(7614)150.623150确定: 为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有图 3-7 中关系L图 3-7 L 对中心线的驱动方程的示意图，取 ，则楔块上边长为 18.686，取 19mm.50(cos76)82.50in14L 833.3.7 材料及连接件选择V 型指与夹持器连接选用圆柱销 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 个。杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销 /19.GBT，d=6mm, 需使用 2 个。滚子与手指连接选用圆柱销/19.GBT， d=4mm, 需使用 2 个。以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径1.2mm 的圆孔，用 GB/T91 1.2X8 的开口销连接。楔块与活塞杆铰链联结。 21第四章 斜臂机械手三维造型的设计4.1 Solidworks 软件简介首先我要对 Solidworks 进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式 CAD 设计软件，在业界被称为“3D 机械设计方案的领先者 ”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用 Solidworks 已经成为最基本的技能之一。与传统的 2D 机械制图相比，参变量式 CAD 设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的 CAD 设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行，其标注尺寸也不会发生变化，还要重新绘制，标注，因此绘图工作相当繁重。参变量式 CAD 设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草