自动上下料机械手臂及主要零部件设计_毕业设计

目次

摘要...............................................................................................................................................................I 目次............................................................................................................................................................III 1绪论 .......................................................................................................................................................... 1

1.1前言和意义 ................................................................................................................................... 1 1.2 工业机械手的简史 ...................................................................................................................... 1 1.3 国内外研究现状和趋势 .............................................................................................................. 2 1.4 本章小结 ...................................................................................................................................... 3 2机械手直臂部分的总体设计 .................................................................................................................. 3

2.1 执行机构的选择 .......................................................................................................................... 3 2.2 驱动机构的选择 .......................................................................................................................... 4 2.3传动结构的选择 ........................................................................................................................... 5 2.4 机械手的基本形式选择 .............................................................................................................. 6 2.5 机械手直臂部分的主要部件及运动 .......................................................................................... 6 2.6 机械手的技术参数 ...................................................................................................................... 8 2.8 本章小结 ...................................................................................................................................... 8 3机械手手爪的三维设计 .......................................................................................................................... 9

3.1 手部设计基本要求 ...................................................................................................................... 9 3.2 典型的手部结构 .......................................................................................................................... 9 3.3 机械手手爪的设计计算 .............................................................................................................. 9

3.3.1选择手爪的类型及夹紧装置 ............................................................................................ 9 3.3.2 手爪夹持范围计算 ......................................................................................................... 10 3.3.3 滑动丝杠设计 ................................................................................................................. 11 3.3.4 直齿轮设计 ..................................................................................................................... 13 3.3.5电机选型 .......................................................................................................................... 14 3.4 机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图 ........................................................................ 15 3.5 本章小结 .................................................................................................................................... 18 4机械手手腕部分的三维设计 ................................................................................................................ 18

4.1腕部设计的基本要求 ................................................................................................................. 18 4.2 腕部的结构以及选择 ................................................................................................................ 19

4.2.1 典型的腕部结构 ............................................................................................................. 19 4.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 ......................................................................................... 19 4.3 腕部的设计计算 ........................................................................................................................ 19

4.3.1 蜗轮轴的设计计算 ......................................................................................................... 19 4.3.2 蜗轮齿轮设计 ................................................................................................................. 21 4.3.3 步进电机选型 ................................................................................................................. 23 4.4 手腕部分出图及主要零部件出图 ............................................................................................ 24 4.5本章小结 ..................................................................................................................................... 29

III

5 直臂部分的三维设计 ........................................................................................................................... 31

5.1 手臂的结构的选择及其驱动机构 .......................................................................................... 31 5.2 滚珠丝杠设计 ............................................................................................................................ 31 5.3 锥齿轮设计 .............................................................................................................................. 34 5.4 电机选型 .................................................................................................................................... 36 5.5 机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图 ........................................................................ 37 5.6 本章小结 .................................................................................................................................... 40 6.总结 ........................................................................................................................................................ 40 学位论文数据集........................................................................................................................................43

1绪论

1.1前言和意义

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

1.2 工业机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。 1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵

活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.3 国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状