_气动机械手的结构设计

本科毕业论文（设计、创作）

题目：气动机械手的结构设计

学生：兵练学号： 120108505

所在系院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化入学时间： 2012 年 9 月导师：吴建美职称/学位：讲师/硕士

导师所在单位：三联学院

完成时间： 2016 年 5 月

三联学院教务处制

气动机械手的结构设计

摘要:机械手是模仿人的手的动作，根据给定的程序，跟踪和要求达到的自动装置的自动采集，处理和操作。本篇论文设计着重介绍气动机械手，并计算相关相关数据得出合理的结果。

气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、安全、节能、环保、可实现无级调速、可实现过载保护等优点,适用于汽车生产业、食品和药品包装行业、精密仪器制造业和军事工业等。为了增强机械手的通用性和互换性,使同一机械手由于应用不同的模块而具有不同的功能,本文采用模块化气动机械手,对基座、立柱、手臂、手部等模块进行结构设计,方便机械手的标准化生产和使用。它具有很多优秀的性能可以完全胜任现代工业生产要求。气动机械手的设计要求就是要求我们将人们从劳烦的生产中解放出来，这就需要将其设计具有能帮助人们工作。

关键词:气动机械手；模块化设计；结构设计；自由度

The Structure of the Pneumatic Manipulator Design

Abstract: In this paper the hand of the manipulator is imitation of action, according to the given program, track and requirements to achieve automatic device of automatic data collection, processing and operation. This paper introduces the design of pneumatic manipulator, and calculate the relevant data related to the reasonable results are obtained.

The structure of the pneumatic manipulator design involves a lot of mechanical professional special knowledge, need to master the complex theoretical analysis ability and design ideas, larger workload. Based on the integration in the field of mechanical manufacturing and automation professional four years of experience, discusses and analyzes the industrial robot's mechanical structure and function of each part. Pneumatic manipulator as a practical new type of mechanical production equipment, can replace manual work in the comparison of heavy labor。It has many excellent performance can be fully competent for modern industrial production requirements.Pneumatic manipulator design requirement is asking me People will be liberated from the trouble of production, which requires the design is to help people work.

Key words: Pneumatic manipulator; Modular design; Structure design; Freedom

目录

1绪论 (1)

1.1工业机械手的国外发展历史和现状 (1)

1.1.1国外发展状况 (1)

1.1.2国发展状况 (1)

1.2气动技术发展状况 (2)

1.3课题的研究目的及意义 (3)

1.4研究容和拟解决的问题 (3)

1.4.1本课题的研究容 (3)

1.4.2拟解决的问题 (3)

2机械手的设计要求及总体设计方案 (5)

2.1换刀装置的类型 (5)

2.2机械手的坐标形式与自由度 (6)

2.3机械手工作过程及工步时间分配 (8)

2.4机械手的基本参数 (11)

2.5模块化设计 (12)

2.5.1模块划分的一般原则 (12)

2.5.2模块设计的方法 (13)

2.5.3模块式机械手及组成 (14)

2.6机械手的总体方案设计 (15)

2.7电机的选择 (16)

2.8小结 (18)

3气动机械手的设计 (18)

3.1.手部结构设计 (19)

3.2手臂结构设计 (20)

3.3基座结构设计 (21)

3.3.1机械手基座的设计原则 (22)

3.3.2传动装置运动和动力参数计算 (22)

3.3.3主要传动尺寸的确定 (23)

4总结与展望 (25)

4.1总结 (25)

致 (26)

参考文献 (27)

1绪论

1.1工业机械手的国外发展历史和现状.

机械手是可以模仿人的一部分动作,并按一定程序、轨迹和精度要求来实现自动抓取、搬运和操作的全自动机械装置。

工业机械手最早应用与汽车制造业,一般用在于焊接、喷漆和搬运。气动机械手结构设计研究的意义是为了工业的发展，减轻人在工业中的劳动。促进了人类的生活变得全部自能化。并且研究机械手可以使人们对我们的物质文化的更加清晰的认识。对我们在解放劳动生产力和解放自身提高人类智慧有着提高作用。

1.1.1国外发展状况

（1）美国

1954年George.C.Devol制造了关节型搬运装置。60年代,Devol和JosephF.Engelberger组建了Unimation公司,生产了世界上的第一台机器人)Unimate[1](意为万能自动),是一台五轴液压机器人。

（2）日本

日本在机器制造比较慢，但是由于其引进美国技术并发展、消化、应用。1967年,东京机械贸易公司从从美国引进Versatran机器人并对它进行改造,增加了视觉功能,使其成为具有智能的机器人。

1.1.2国发展状况

我国在七十年代初开始研制工业机器人,国知名院校和企业分别开发了固定程序、组合式、液压伺服通用机器人[2],并开始了机构学、计算机控制和应用技术的研究。20世纪80年代,我国开始逐渐重视机器生产，我国的机械技术步入飞速时代。在现代的社会中，国家大力发展机器，工业慢慢步入全自动化步骤。

1.2气动技术发展状况

气动技术在现代生产制造中被越来越广泛地应用。现代随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的飞速发展,气动技术在以实际应用的前提下不断创新,得到了飞速发展气动技术作为便宜的自动化技术。在现代化机械自动化生产中,几乎都配有气动系统。

现代中，落后的机械已经无法满足工厂的需求，这就需要我们提高机械的运动速度和准确度，提高全自动化。“如果采用电一气伺服定位系统可以非常方便地实现多点无级定位(柔性定位)和无级调速”[3]。此外,利用伺服定位气缸运动速度的连续可调性来代替传统的节流阀和气缸端部缓冲方式,可以达到最佳的速度和缓冲效果,大幅度降低气缸的动作时间,缩短工序节拍,提高生产率。使用电气伺服阀的控制系统有以下特点:

(1)“可实现压力和速度的无级调节,避免了传统开关式气阀换向时的冲击问题”[4]；

(2)能实现远程控制和程序控制；

(3)与断续控制相比,系统简化,元件大大减少；

(4)使用功率小、发热少、噪声低；

(5)不会发生火灾,不污染环境。受温度变化的影响小；

(6)系统没有回收管路,可做到体积小、成本、操作方便和容易保；

随着现代科技不断地发展，引起了气动技术的飞跃发展，国一些企业和机构不断重视气动技术，气动技术满足了很多行业生产的需求。机械手带动工业的发展，让我们明白只有不断发展机械，才能让国家工业不断提升。

1.3课题的研究目的及意义

本课题的目的是解放生产力，从人们从劳动中解放出来，取代人类在工厂流水的生产。节约成本，安全生产。在一定程度上减轻劳动成本，提高生产速度。为生产中的全自动生产提供了基础。

气动机械手结构设计研究的意义是为了工业的发展，减轻人在工业中的劳动。促进了人类的生活变得全部自能化。并且研究机械手可以使人们对我们的物质文化的更加清晰的认识。对我们在解放劳动生产力和解放自身提高人类智慧有着提高作用。

1.4研究容和拟解决的问题

1.4.1本课题的研究容

(1)确定机械手的总体方案

在研究机械手的方案上，我们要根据它的特点和要求来进行研究并且确定方案。对于机械手我们要要求他能快速的整理和搬运物件，并且要保证生产安全，这就要求机械手及有一定的快速反应，高精度的能承载一定劳动承载能力的设计，来帮助人们完成预期的动作。本课题就是要研究机械手的设计流程，通过机械手解放劳动。（2）机械手各执行机构设计

（3）机械手模块化设计

把机械手分成四个部分，分别是感知、控制、主机和执行四个部分。并对这四个部分进行具体的细分化设计，来满足我们队生产的需要。并且在地带执行元件的设计上，要满足设计要求和设计原则。

1.4.2拟解决的问题

（1）如何解决气动机械手的结构问题

（2）如何合理设置气动机械手各个元器件之间的连接件（3）气动机械手能够实现的功能

（4）气动机械手的力度控制问题，提高其灵活度

（5）气动机械手的材料选取

2机械手的设计要求及总体设计方案

气动机械手的设计要求就是要求我们将人们从劳烦的生产中解放出来，这就需要将其设计具有能帮助人们工作。在生产中能够灵活准确的帮助人们工作，能够自动定位和快速工作。设计气动机械手的原则是;根据对气动机械手的作业技术要求，设计合理的步骤，来满足机械手的设计要求，并且能在恶劣，特殊的环境中，满足对不同环境、地域的兼顾通用性，并实现全自动化。

2.1换刀装置的类型

换刀装置的类型和特点如表2-1所示

表2-1换刀装置的类型和特点

在换刀机械手的加工过程中，有4个类型，分别如下：

1）单臂式公用换刀机械手

2）双臂式公用换刀机械手

3）回转式公用换刀机械手

4）轨道式公用换刀机械手

加工中心对自动换刀装置有如下具体要求:

1）刀库容量适当

2）换刀时间短

3）换刀空间小

4）动作可靠、使用稳定

5）刀具重复定位精度高

6）刀具识别准确

通过对我们上面的总结可以确定了我们的基本方案。我们所选用的刀库可以选择最简单的盘式刀库，它所需要的容量为12把刀。每次还刀为旋转90°，每次5s 左右。在生产中一般我们所采用的是对于我们最简单的刀座编码法。

2.2机械手的坐标形式与自由度

机械手手臂的坐标形式有4种，不同的坐标形式有不同的特点，分别如下: 直角坐标系:

1）在三个直线方向上移动,运动容易想象

2）计算比较方便

3）要求保留较大的移动空间,占用空间较大

4）要求有较大的平面安装区域

5）滑动部件表面的密封较困难,容易被污染

圆柱坐标系:

1）容易想象和计算

2）直线驱动部分若采用液压驱动,则可输出较大的动力

3）能够伸入型腔式机器部

4）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5）直线驱动部分难以密封、防尘及防御腐蚀性物质

6）后缩手臂工作时,手臂后端会碰到工作围的其他物体

极坐标系:

1）在中心支架附近的工作围较大

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

多关节坐标系:

1）动作较灵活,工作空间大

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

主运动和辅助运动是机械手运动的两个部分。在机械手的运动，主运动是手臂和立柱的运动，辅助运动是手腕和手指的运动。机械手具有四个自由度。图2-2所示为机械手的运动示意图。

图2-2 机械手的运动示意图

如遇到需抓取水平放置的工件时,要在手腕处设有回转运动才可满足工作的需要考虑到机械手的通用性,可以增加手腕模块[6],将手腕设计成回转结构,实现手腕回转的机构选用回转气缸。为了区分两个升降部分,本文将左边行程较大的升降部分称作立柱,右边行程较小的升降部分称作小臂。

2.3机械手工作过程及工步时间分配

1）确定完成动作及顺序

图2-3换刀机械手布局示意图

要确定换刀机械手的工作过程首先要了解各装备的布局及机械手需要完成的动作。换刀机械手的布局示意图如图2-3所示。图中换刀机械手的初始位置是手部正对盘式刀库,与刀架成90o夹角,水平机构和垂直机构均设在极限位置。换刀机械手为把刀库上的被选择刀具送到刀架上,需要以下几个动作，如表2-4所示：

表2-4换刀机械手的刀库动作

上面是我们对机械换刀手动作作用的总结。整个机构是让我们在对换刀动作完成后将刀架的推爪放到刀架的另一端，这样就能完成了。

2）工步时间分配

工步时间分配对应不同的行程和时间，分配如表2-5所示:

表2-5机械手运动过程与时间分配

1）机械手主参数是最大抓重。我们还在研究阶段，应选用复合现场操作的重量。2）机械手主要的基本参数是参数运动速度。

参数运动速度是具有跳动的，但是参数运动速度是对能反应各参数的关系。我们总结机械手各部分的参数如表2-6所示:

表2-6机械手各关节基本参数

2.5模块化设计

时代在发展，传统的工作模式已经满足不了生产的需求。因此我们要在传统模式的基础上加入全自动化的机械，模块化设计能够能好的为我们的技术做出基础。模块化设计是为了实现产品的需求，满足日益增长的科技。模块化研究[7]的理论基础来自于麻省理工学院(MIT)的Suh教授提出的公理化设计理论(AxiomaticDgignTheory,ADT)。

2.5.1模块划分的一般原则

模块划分的一般原则

(1)简化模块防止产生混乱：

(2)节约材料实现多总方案的组合：

(3)保持模块化设计划分的功能：

(4) 防止模块间的不兼容要：

(5)提高模块的材料性能：

(6)模块单元的划分必须考虑经济因素等;

2.5.2模块设计的方法

在模块化设计的时候，我们有很多的方法，这就需要我们选择一个合适的方法。它能够对我们所需要的产品功能很好地了解，系统就是靠这些功能来完成。但是在系统中有很多功能它是一个整体，但是又分好多上下和并行关系，这些关系在具有不同的功能，相辅相成，共同为模块化设计的做出基础的贡献如图2-7是不同级别的关系(F0代一级功能,Fl,FZ,F3代表二级功能,Fll,F12,FZI,F22,F23,Fnl,FnZ代表三级功能)。

图2-7功能结构图

2.5.3模块式机械手及组成

模块式机械手是机械手的一部分。它分为基座、手臂、立柱、手腕、手部这几个主要的部分。它们在不同的部件执行不同的功能，这些功能我会在第3章进行系统的阐述。模块化机械手的各模块如图2-8所示。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/z7le.html