机械手说明书

第一章绪论1.1工业机械手概述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。

工业机械手的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优点，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。

随着工业自动化的发展, 出现了数控加工中心,它在减轻工人的劳动强度的同时, 大大提高了劳动生产率。

但数控加工中常见的上下料工序, 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。

前者费时费工、效率低; 后者因设计复杂, 需较多继电器,接线繁杂, 易受车体振动干扰,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。

可编程序控制器PLC控制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力, 保证了系统运行的可靠性,降低了维修率, 提高了工作效率。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、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。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。

那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。

但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交带来的挑战。

随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、板手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视，同时也要求供料机构更加灵活、柔性化以适应供送不同的物品，这使得供送料机械手在自动机、自动线上得到愈来愈广泛的应用。

1984年，国际标准化组织(ISO)采纳了美国机器人协会的定义，即“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机”。

或者“是一种带有执行不同的工作任务的手臂，且可改编程序动作来完成各种作业的特殊机械装置”。

我国国家标准GB／T 12643—9O将工业机器人定义为“是一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。

能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业”。

机器人是当今工业的重要组成部分，它们能够精确地执行各种各样地任务和操作，并且无需人们工作时所需的安全措施和舒适的工作条件。

已被广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中，代替人类从事各种生产作业，使人类从繁重的重复单调的、有害健康和危险的生产作业中解放出来;90年代在计算机技术和人工智能科学发展的基础上，开始向智能机器人方向发展，智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。

所谓仿真，就是将复杂的现实系统经过一定的抽象和简化形成系统的模型，通过动态运行这种模型，获得有关的系统性能数据。

而计算机仿真是伴随计算机的发展而形成的一门学科。

它一般指设计和构造一个客观世界某一系统的数理逻辑模型，并借助计算机对该模型进行实验的过程。

对机器人进行计算机仿真是凭借计算机这一现代化工具研究机器人仿真的有效手段。

在机器人的研制、设计和试验过程中，需要经常对机器人进行运动分析，而机器人是多自由度、多连杆的空间机构，其运动学、动力学十分复杂，如用手工计算不仅非常困难，而且极易出错，通常只有通过对这种复杂系统的仿真，才能解答在机器人设计、制造、试验阶段以及运行过程中出现的问题。

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。

工业机械手的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优点，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。

1.2总体设计机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。

因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。

在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。

机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。

该机械手是将圆柱形零件从传送带上夹装到专用机床上，待加工完毕后再夹装回传送带的专用机械手(见示意图)。

机械手总体设计分为夹持器、伸缩臂、升降臂和底座四大部件设计及二个系统：PC 电控系统与液压控制系统设计。

夹持器安装于伸缩臂上，伸缩臂安装在升降臂上，升降臂安装在底座上。

连接方式均为法兰盘螺栓连接。

机械手的动作要求分为16步。

从原位开始——升降臂下降——夹持器夹紧——升降臂上升——底座快进回转——底座慢进——伸缩臂伸出——夹持器松开——伸缩臂缩回；待加工完毕后，伸缩臂伸出——夹持器夹紧——伸缩臂缩回——底座快退(回转)——底座慢退——升降臂下降——夹持器松开——升降臂上升到原位停止，准备下次循环。

圆柱形零件的尺寸为直径80毫米，高为150毫米，机械手回转角度为90度，升降高度为500mm ，伸缩长度为300mm 。

本设计为工业机器人机械手的底座及其控制系统设计，机器人通过底座的回转运动，实现工件的转位。

上述动作均由电控系统发讯号控制相应的电磁铁（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现的。

图表 1第二章工业机械手升降臂设计2.1升降臂设计的总体方案2.1.1设计参数：a、升降臂起升高度：0—500mm，任意可调；b、单向升降运动时间：0—5s；c、升降过程速度变化均匀，无刚性的冲击；d、升降臂定位可靠、精确。

e、升降臂与旋转底座、伸缩臂为法兰连接；f、结构设计时考虑伸缩臂原位时的整机平衡；2.1.2设计要求设计任务书的补充说明：毕业设计是学生在校学习期间最后一个十分重要的实践性教学环节，通过毕业设计，综合运用学到的基础知识、基础理论、专业知识和基本技能，针对毕业设计课题，进行了综合训练。

，通过毕业设计培养学生初步具有以下几个方面的能力：综合运用知识的能力。

工业机械手升降臂及其控制系统设计，是工业机器人设计的一个部分，涉及机、电、液等多方面的设计计算和绘图工作。

资料检索和学习能力。

毕业设计涉及面广，工作量大，故在设计过程中需要翻阅大量有关设计手册、标准与有关参考书籍。

系统的设计思想和设计能力。

独立分析和解决问题的能力。

设计过程是一个极其复杂与综合的过程，其中不乏在大学学习阶段未及学习的内容，因此需要学生自主学习有关知识，独立分析处理有关问题。

开发创新能力，更好地适应将来工作的需要。

工业机械手是模仿人的手部动作，按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，它是机械化、自动化的重要手段。

因此，获得了日益广泛的应用，特别在高温、高压、危险、易燃、易爆、放射性等恶劣环境，以及笨重、单调、频繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意义。

在机械加工中，冲压、铸、锻、焊、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输、国防工业等各方面，也已愈来愈引起人们的重视。

机械手一般由执行机构、驱动机构、控制机构以及位置检测装置等组成，驱动系统可采用液压传动、气动传动、电气传动和机械传动等形式，而多数采用电液机联合传动。

本次设计的工业机械手，是从输送带上抓取待加工的坯料送到加工机床的加工工位。

有圆柱坐标式与极坐标式两种，具有手臂回转、升降、伸缩和手部夹持运动等四个自由度。

因此相应地由夹持器夹紧与松开机构、手臂伸缩机构、手臂升降机构、手臂回转机构和各种定位装置等组成。

工业机械手床身有两种结构方案，圆柱坐标式床身由回转底座和机械手大臂两大部分组成，与伸缩臂配合，用以调整末端执行器的位置。

床身部分具有水平面内回转、垂直升降两个自由度，包括驱动装置、传动机构、定位导向机构、支撑联接件与检测元件等。

机械手大臂部分包括滑台导轨副及其传动机构，底座部分包括机座及旋转驱动机构。

极坐标式床身包括回转底座和机械手臂两大部分组成，与夹持器旋转腕部及夹持器连接。

床身包含驱动装置、水平位姿保持机构、支撑联接件与检测元件等组成。

2.1.3可行方案的筛选方法提要1、技术要求：a、升降臂起升高度0-500mm任意可调。

极坐标式床身最大位移：Y方向500mm；X方向300mm升降臂安装于回转底座，随回转底座做旋转运动；升降臂承负伸缩臂与夹持器及工件，调整承负结构的高低位置，完成工件的工位转换。

b、单方向升降运动时间：0-5Sc、定位准确、可靠，要有合理的定位措施。

图d、升降臂运动平稳，起动和终止无刚性冲击。

2、设计方案的选择根据升降臂动作要求，结合已学知识，列出可实现动作要求的各种方案，进行对比分析，主要考虑：技术可行，结构布局合理，工艺合理，经济性好。

作为初次设计，给出液压和电动两个设计方案，供设计时参考。

a．圆柱坐标（直线移动）升降臂升降臂与底座、伸缩臂采用法兰连接，运动方式采用直线移动方式，升降滑台与升降臂立柱可采用燕尾导轨、圆柱导轨、特型导轨等联结方式。

考虑手臂最低工位的高度，可采用变行程措施以降低直线油缸的整体长度。

图（1）为变行程机构的一种形式。

b 、极坐标（旋转升降式）升降臂升降臂完成起升所承载的伸缩臂与夹持器等，运动方式采用转动起升方式，升降臂与底座、伸缩臂采用铰接方式。

升降臂起升过程中应保持伸缩臂及夹持器等的水平位姿。

升降臂可考虑采用平行四边形机构，升降臂与底座、伸缩臂交接轴间的连锁运动机构等保持伸缩臂的水平位姿。

c 、液压驱动方案设计①、工作原理采用单出杆双作用液压油缸或液压马达驱动，升降速度采用调速阀油节流调速，接近运动终点时，发出信号，进行调速缓冲，依靠行程极限与限位挡块联合定位，利用定型导轨或升降臂与底座、伸缩臂间铰接处的相对转动实现升降运动，防止承载的伸缩臂与夹持器发生失控旋转。

②、液压系统的设计计算液压控制系统设计要满足升降臂动作逻辑要求，液压缸及其控制元件的选择要满足升降臂动力要求和运动时间要求，具体设计计算参见《工业机器人液压传动控制系统设计》毕业设计指导书。

③、机械驱动方案设计(1)、工作原理采用电动机作为动力源，滚珠丝杠、普通丝杠谐波减速器等传动机构。

升降臂升降转换可直接利用电动机正反转换向，也可以在变速装置中采用电磁离合器配合控制系统实现自动换向。