单臂回转式机械手机械系统的设计

毕业论文学生姓名：学号：所在学院：专业：设计(论文)题目：指导教师：南京工业大学本科生毕业设计I单臂回转式机械手机械系统的设计摘要在工业生产中间，机械手可以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作，这样子能够保护人身安全，很大程度提高劳动效率和改善工人工作环境，在很多方面都体现出其不可替代的优势，因而在工业生产中应用广泛。本次所设计的机械手，为单臂回转式机械手，对机械手的要求是搬运一个一千克的铁块，从一个平台到另一个平台，旋转过的角度为90度。从上面的这些条件可以看出，对于机械手结构的选取就比较的多样化。我们可以选择圆柱坐标型的，也可以选择较为复杂的球坐标型和关节型。根据对机械手的运动部分结构的设计及选型，以及选定的夹持的方式，我们定出了机械手的总体结构,其中包括两个相互平行的液压缸和一个旋转的气压缸、电磁铁吸附装置、支座和底座。两个液压缸用于升降运动，气压缸用于回转运动，夹持器主要部分为一个吸附式电磁铁。此次设计中机械手动作固定，结构简单，可靠性较高，易于拆装，可用于机械设计和液压相关课程实验教学中的演示和拆装练习。关键词：机械手圆柱坐标型液压缸气压缸吸附式第一章序言IIThedesignofthemechanicalsystemoftheSingleArmRotaryManipulatorAbstractDuringtheindustrialproduction,themanipulatorcansubstitutetheheavyworkingoftheworkers,whichcanundergothehazardousconditions,torealizethemechanizationandautomationoftheproduction.Accordingtothese,themanipulatorcanensurethepersonalsafety,improvetheeffectivesoftheproductionandamelioratetheworkingconditionsofworkers.Inmanyaspects,themanipulatorsreflectitsirreplaceableadvantagestobeusedwidelyintheindustrialproduction.Themanipulatordesignedinthispaperisasinglearmrotarymanipulator,whichrequiresthemanipulatortomoveakilogramoftheironfromoneplatformtoanother,therotationangleis90degrees.Astheselectionofthemanipulator’sstructureisdiversification,wecanchoosethecylindricalcoordinatetype,orwecanchoosethemorecomplexone,theballcoordinatetypeorthejointtype.Accordingtothedesignandtheselectionofthemotionpartstructureofthemanipulator,andthedeterminedclampingway,wedefinetheoverallstructureofthemanipulator,whichincludingapneumaticcylinderandtwohydrauliccylinderswhicharemutuallyparallel,anelectromagnetadsorbingdevice,bearingandabase.Thehydrauliccylindersarerespectivelyusedfortheliftingmovementandthepneumaticcylinderisfortheturningmovement.Theholder’smainpartisanadsorptiontypeoftheelectromagnet.Inthispaper,thedesignedmanipulatorhasfollowingadvantages:themotionisfixed,thestructureissimple,thereliabilityishighandthemanipulatoriseasytoassembleanddisassemble.Themanipulatorcanbeusedintherelatedmechanicaldesignandhydrauliccoursefortheexperimentteaching,asthedemonstrationanddisassemblypractice.Keywords:manipulator,cylindricalcoordinatetype,hydrauliccylinder,pneumaticcylinder,absorption南京工业大学本科生毕业设计目录摘要-----------------------------------------------------ⅠABSTRACT-------------------------------------------------Ⅱ第一章序言----------------------------------------------11.1概述..............................................11.2机械手的简介......................................11.2.1机械手的应用...............................11.2.2机械手的通常结构及其特点....................21.2.3机械手的结构................................31.2.4机械手的发展.................................4第二章回转式机械手的机械系统的设计--------------------62．1回转式机械手总结构图的设计.......................62．2回转式机械手回转部分的机械设计...................82．3回转式机械手的大臂的机械设计....................102．4回转式机械手的小臂的机械设计....................112．5回转式机械手的抓取部分的机械设计................132．6回转式机械手立柱部分的设计......................142．7回转式机械手底座部分的设计.......................15第三章回转机械手的系统的仿真----------------------------17南京工业大学本科生毕业设计第四章总结----------------------------------------------19参考文献-------------------------------------------------20谢辞---------------------------------------------------22南京工业大学本科生毕业设计1第一章序言1.1概述关于机械手，就是用来再现人手功能的技术装置[1]。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用来按照固定的程序抓取，搬运物件或操作工具的自动操作的装置。在工业生产中间，机械手可以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作，这样子能够保护人身安全，很大程度提高劳动效率和改善工人工作环境，在很多方面都体现出其不可替代的优势，因而在工业生产中应用广泛,如图1-1所示，为一般的工业机械手在工作时候的情况。[2]图1-1工业机械手工业机械手是近代自动控制领域中新出现的一项技术，已经成为现代机械制造生产系统中一个重要组成部分，并逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手系统涉及到力学、机械学、液压与气压技术、自动控制技术和计算机等科学领域，是一项跨学科综合技术。1.2机械手的简介1.2.1机械手的应用目前而言，国内外机械工业中机械手主要应用于以下几个方面。第一，在热加工方面的应用。热加工是高温、危险、笨重的体力劳动，在很早之前，就要求实现自动化。为第一章序言2了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其是对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作。第二为冷加工方面的应用。冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。第三为拆修装方面的应用。拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门，已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率[3]。近些年，随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用，工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。1.2.2机械手的通常结构及其特点工业机器人的结构形式，主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构共4种【4】。(1)直角坐标机器人结构。直角坐标机器人的空间运动，是用3个相互垂直的直线运动来实现的，如图l-2-2a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度(μm级)。(2)圆柱坐标机器人结构。圆柱坐标机器人的空间运动，是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图l-2-2b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3)球坐标机器人结构。球坐标机器人的空间运动，是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图1-2-2c。这种机器人结构简单，成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。(4)关节型机器人结构。关节型机器人的空间运动，是由3个回转运动实现的，如图1-2-2d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。南京工业大学本科生毕业设计3图1-2-2四种机器人坐标形式1.2.3机械手的结构机械手主要由手部，运动机构和控制系统三大部分组成的。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状，尺寸，重量，材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型[5]和吸附型[6]等。其中夹持型比较通用，可以根据工件的外形特点设计与之相符合的夹具与之相匹配；吸附型又分成真空吸附和电磁吸附，它们分别试用于表面光滑工件和铁磁性材料工件。如图1-2-3为吸附式电磁铁机械手在工业中工作的情况。图1-2-3吸附式机械手第一章序言4运动机构，使手部完成各种转动，移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势[7]。运动机构能够使手部完成各种动作（摆动或转动）、移动或者复合运动来实现规定的要求，从而达到改变被抓持物件的位置和姿势的目的。运动机构的升降、伸缩和旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度[7]。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越好，通用性越广，但其结构也越复杂。6个自由度的机械手可以抓取空间中任意位置和姿势的物体，但其结构复杂，要求也相对较高。一般