上下料机械手的结构设计

上下料机械手的结构设计

一、绪论

1、课题背景

在现代工业中，生产过程的机械化、自动化和智能化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决，但在机械工业中加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法，程控机床、数控机床及加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。 但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运及装配等作业有待于进一步实现机械化，机器人的出现并得到应用为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取，搬运工件，操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置，具有结构简单，成本低廉，维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前，我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机器人，即本文所研究的对象。它是一种独立的，不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序以完成各项规定操作，它是除具备普通机械的物理性能之外还具备通用机械、记忆和智能的三元机械；第二类是需要人工操作的，称为操作机 (Manipulator) 它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴；第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上用以解决机床上下料和工件传送，这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动，除少数外工作程序一般是固定的，因此是专用

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的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂及关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动、传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构，驱动、传动系统和控制系统这三部分组成。

2、设计的目的和意义

当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。它的特点是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人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。

3、机械手的发展趋势

机械手首先是从美开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：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。现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装

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配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。日本是在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

4、应用机械手的意义

随着科技的发展，机械手应用的越来越多，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：

（1）提高生产过程自动化程度，增强生产效率

机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。

（2）改善劳动条件

在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人

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在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。

在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。

（3）减少人力资源，便于节奏生产

机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。

二、机械手的整体设计

1、机械手的概述

工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一向新技术，并已成为现代机械生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科——机械手工程。

机械手一般为三类：一是不需要人工控制的通用型机械手。它是不属于其他主机的独立装置。可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。二是需要人工操作的，起源于原子、军事工业，先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。这种机械手国外叫做

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“Mechanical Hand”。它由主机驱动来服务，工作程序固定，一般是专用的。

机械手的迅速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。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各现金工业园的重视，投入大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高压、高温、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国，近年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。

2、机械手的组成及各部分关系

机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。

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图1.机械手的组成及相互关系示意图

（1）执行机构

执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。手为抓取机构，用于抓取工件。关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。

（2）传动机构

传动机构用于实现执行机构的动作。常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。

（3）控制系统

机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。

（4）辅助装置

辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。

3、机械手的整体方案拟定

工业机械手的主题结构设计的主要问题是选择有连杆件和运动副组成的坐标形式。根

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据设计要求，总体设计方案示意图如图2所示，采用直角坐标式，可实现左右、上下、小臂旋转、爪加紧与放松四个动作。

直角坐标式机械手主要用于生产设备的上下料，也可用于高精度的装配和检测作业，大约占工业机器人总数的14%。一般直角坐标式机械手的手臂能垂直上下移动，并可沿滑架和横梁上的导轨进行水平面内二维移动。直角坐标式机械手主体结构具有三个自由度，而手腕自由度的多少可视用途而定。

图2.总体方案示意图

3、机械手的主要参数

（1）传动方式

（2）反应速度

（3）尺寸和重量

（4）负荷能力

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（5）控制方式

（6）操控范围

（7）反应速度

（8）定位

（9）自由度

（10）安全性

（11）实用性

三、机械手机械结构设计

机械手的机械结构包括手指、手腕、手臂、机身。各结构控制的动作各不相同。

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图3.机械手机械结构示意图

1、手指

手指部件（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状。尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持和吸附两大类。

根据设计要求，这里只讨论夹钳式的手部结构。

夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴。盘、套类零件。一般情况下，多采用两个手指。驱动装

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置为传动机构提供动力，驱动源有液压的、气动的和电动的等几种形式。常见的传动机构往往通过滑槽、斜楔、齿轮齿条、连杆机构实现加紧或放松。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动，适于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒是，不会引起中心位置的偏移。但这种手指比较复杂、体积大，要求加工精度高。根据设计要求，工件是圆盘，所以采用回转型手指，其张开和闭合靠手指根部的回转运动来完成。抠轴支点为一个的，称为但支点回转型；为两个支点的，称为双支点回转型。这种手指结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生夹持定位误差。为了手指根部的结构紧凑，这里采用单支点滑槽杠杆式，如图3。

图4.单支点滑槽杠杆式示意图

2、手腕

手腕部件设置于手指和手臂之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。一般手腕没有回转运动或在增加一个上下即可满足工作要求。目前，应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度较小（一般小于270°）。并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。因此，

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在要求较大或转角的情况下，采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构。

手腕设计的基本要求：

（1）力求结构紧凑、重量轻

腕部处于臂部的最前端，它连同手部的精。动载荷均由臂部承受。显然腕部的结构。重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。

（2）综合考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，有承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求以及具有足够的强度。刚度外，还应该综合考虑，合理布局。如应解决好腕部与臂部和手部的连接，腕部各个自由度的位置检测，管线布置，以及润滑、维修、调整等问题

（3）必须考虑工作条件

对于高温作业和腐蚀性介质中的机械手，其腕部在设计时应充分估计环境对腕部的不良影响（如热膨胀、压力油的粘度恶化燃点，有关材料及电控原件的耐热性等）。由于本设计不需要腕部的回转和摆动，故只用一个钢管作为腕部，起到连接与支撑手部和臂部的作用。又考虑到经济性和实用性，最终选用45号钢管，其力学性能和价格都比较适中，中间的管道作为油管通道。

3、手臂

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手臂部件是机械手的主要握持部件，它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

臂部的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。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、机身

机械手中用来支承手臂等部件并安装驱动装置及其他装置的部件。机械手的每一个活动度都相应要配有一个原动件(如油缸气缸或电动机等驱动装置) ，当原动件按一定的规律运动时，机械手各运动部件就随之作完全确定的运动。活动度数和原动件数必须相等，只有这样才能使机械手具有运动的确定性。

四、结论

本课题主要是机械手的结构设计，通过这次的毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手结构的系统设计，掌握了一定的机械设计方面的基础。同时，也使我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得到了提高，认识到自己在这方面的不足。并且对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了机械手的组成结构，还有机械手的工作原理等等。

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