机械手模型设计及制作

摘要科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国民经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求因此，为了适应社会发展的形势，在现有技术基础上设计一台教学型机械手有着深远的科教意义本课题设计的教学型搬运机械手，主要包括机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动、控制系统设计等，实现了机械手手部的四自由度运动：手臂的升降、伸缩和手腕、手臂的回转设计中分析了教学型机械手的功能要求和现实意义，通过气压缸来实现手臂的升降和伸缩，采用回转气压缸来实现手腕和手臂的回转设计的机械手结构简单、便于操作，在单片机的控制下完成预期的动作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的关键词: 机械手；气动装置；四自由度；控制系统AbstractScientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our proposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance.The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robot's overall design, robot mechanical structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumatic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching demonstration.Keywords: Manipulator； Pneumatic device； Four Degrees of Freedom； The control system 目 录1 绪论 11.1 机械手概述 11.2 机械手的组成和分类 11.2.1 机械手的组成 11.2.2 机械手的分类 41.3 国内外发展状况 51.4课题研究的主要内容 61.5教学用机械手的功能要求及现实意义 61.5.1 教学用机械手的功能要求 61.5.2 教学用机械手的现实意义 62 机械手的设计方案 72.1 机械手的座标型式与自由度 72.1.1 机械手的坐标型式 72.1.2 机械手的自由度 82.2 机械手的手部结构方案设计 82.3 机械手的主要参数 102.4 机械手的技术参数列表 113 机械械系统设计 123.1 手部结构设计 123.1.1 设计时考虑的几个问题 123.1.2手爪夹持装置的机构选型 123.1.3 手部夹紧气缸的设计 133.2手腕结构设计 173.2.1 手腕的自由度 183.2.2 手腕的驱动力矩的计算 183.3手臂结构设计 223.3.1手臂伸缩与手腕回转部分 223.3.2手臂升降和回转部分 243.3.3手臂升降气缸的设计 243.3.4手臂回转缸体的设计 274 机械手气压系统的设计 294.1气压传动系统工作原理图 294.2气动元件介绍 295 机械手控制系统设计 335.1 控制系统的结构分类 335.2 控制方式 335.3机械手的控制 346 结论与展望 36致谢 37参考文献 38 1 绪论1.1 机械手概述机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备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”生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手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 机械手的组成和分类1.2.1 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各系统相互之间的关系如方框图1-1所示 控制系统驱动系统被抓取工件执行机构位置检测装置图1.1机械手的组成方框图(1)执行机构[1]它包括手部、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部夹持式手部由手指(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，构件制造容易，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:手指有外夹式和内卡式;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常用的有:连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料造成负压的方式有气流负压式和真空泵式对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定2)手腕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)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[3]手臂可能实现的运动如下: 手臂运动基本运动复合运动直线运动与回转运动的组合(即螺旋运动)两直线运动的组合(即平面运动)回转运动:如水平回转、左右摆动运动直线运动:如伸缩、升降、横移运动两回转运动的组合(即空间曲面运动)。

手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱和四圆柱等导向型式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通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱[14]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行走机构可分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[1]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[13](2)驱动系统驱动系统是驱动机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制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、电力传动和机械传动等四种形式3）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)系统组成控制系统一般采用电气控制，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给于机械手的指令信息(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[12](4)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。