1、附件 2：本科毕业设计说明书题 目：电镀工业机器人院 （部）：机电工程学院专 业：机械工程及自动化班 级： 机械 1110姓 名： 曹飏学 号： 2011071482指导教师： 李慧完成日期： 2015 年 6 月 10 日正式印时，此删除山东建筑大学毕业设计说明书目 录摘 要 .IVABSTRACT.V1 前 言1.1 工业机械手的分类 .- 1 -1.1.1 按规格（所搬运的工件重量）分类 .- 1 -1）微型的 搬运重量在 1kg 以下。 .- 2 -1.1.2 按功能分类 .- 2 -1.1.3 按用途分类 .- 2 -1.2 工业机械手的组成 .- 3 -1.2.1 执行机构 .-
2、4 -1.2.2 驱动机构 .- 4 -1.2.3 控制系统 .- 5 -1.2.4 基体（机身） .- 5 -1.3 工业机械手在生产中的作用 .- 5 -1.3.1 建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线 .- 5 -1.3.2 在实现单机自动化方面 .- 5 -1.3.3 铸、锻、焊、热处理等加工方面 .- 6 -1.4 工业机械手设计的目的 .- 6 -1.5 工业机械手设计的内容 .- 7 -1.6 工业机械手的技术发展方向 .- 8 -2 机械手总体设计方案2.1 原始数据（主要参数） .- 9 -2.2 工业机器人总图及其技术特性 .- 10 -2.3 选择电动机 .- 12
3、-山东建筑大学毕业设计说明书I2.3.1 选择电动机的类型和结构型式 .- 12 -2.3.2 确定电动机的容量 .- 13 -2.3.3 确定电动机转速 .- 14 -3 机械手手部的设计计算3.1 手部设计基本要求 .- 14 -3.2 典型的手部结构 .- 15 -3.3 机械手手抓的设计计算 .- 15 -3.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置 .- 15 -3.3.2 手抓的力学分析 .- 15 -3.3.3 夹紧力及驱动力的计 .- 17 -3.3.4 手抓夹持范围计算 .- 19 -3.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .- 19 -3.5 弹簧的设计计算 .- 21 -4 手臂伸
4、缩机构载荷的计算 .- 23 -5 初选系统工作压力 .- 24 -6 轴的设计6.1 轴的材料和热处理的选择 .- 25 -6.2 轴几何尺寸的设计计算 .- 25 -6.2.1 按照扭转强度初步设计轴的最小直径 .- 25 -6.2.2 轴的结构设计 .- 26 -6.2.3 强度计算： .- 27 -7 液压系统的设计7.1 液压系统简介 .- 29 -7.2 液压系统的组成 .- 29 -7.3 机械手液压系统的控制回路 .- 30 -7.3.1 压力控制回路 .- 30 -山东建筑大学毕业设计说明书II7.3.2 速度控制回路 .- 30 -7.4 液压系统元件的选择 .- 31 -
5、7.5 液压系统回路的分析 .- 31 -7.5.1 调压回路 .- 31 -7.5.2 缓冲回路 .- 32 -7.5.3 调速回路 .- 32 -7.5.4 换向回路 .- 33 -7.5.5 锁紧回路 .- 33 -7.5.6 保压回路 .- 34 -结 论 .- 35 -谢 辞 .- 36 -参考文献 .- 37 -附 录 .- 38 -山东建筑大学毕业设计说明书III摘 要在当今大规模的制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业认同并采用。工业机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家的工业自
6、动化水平。目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重要性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取试教在线的方式。本文将设计一台五自由度的工业机械手，用于在带有数控装置的机床时，工业机器人用以取下毛坯和零件，更换刀具和其他辅助操作。全面详尽地讨论了直角坐标机械手的手部，腕部，手臂以及机身等主要部件的结构设计，其中包括机械部分的零部件，比如滚珠丝杠，联轴器，单轴驱动器的使用条件，种类选型，设计基本要求，优点特点分析，结构设计，基本参数的选定，计算与校核，以及安全性的分析。还有控制部分的各电机的马达型号，种类，简介，控制步骤分析，部分控制程序的编写，运行特性分析，基本参数的计算和校核。最
7、终实现的目标包括：实现步进电机的开环控制，通过手臂的执行机构实现空间任意位置的抓取，实现手部快速，有效的抓取物体，有良好的传感和限位功能使每个自由度上的运停快速，准确。做到尽量体积小，重量轻，功耗低，维护方便，外形美观，动作灵敏，传动平稳，程序简洁，运行误差小等优点。关键词：机械手；示教编程；伺服；制动山东建筑大学毕业设计说明书IVDesign of mechanical structure for CNC machine tool industry robot (A type)ABSTRACTIn todays large-scale manufacturing enterprises to
8、 improve production efficiency, ensuring product quality, universal attention degree of automation of the production process, industrial robots as an important member of automated production lines, and gradually recognized and adopted by businesses. Technical level and degree of application of indus
9、trial robots to a certain extent, reflect a countrys level of industrial automation. At present, the importance of industrial robots is mainly responsible for welding, painting, handling and palletising and labor-intensive work great, work in general, try to teach online.This paper will design a fiv
10、e degrees of freedom of the industrial robot, when used with the machine in the numerical control device, industrial robots and to remove the blank parts, replace tools and other support operations. Comprehensive and detailed discussion of the structural design of rectangular coordinates robot hand,
11、 wrist, arm and body and other major components, including parts of the mechanical parts, such as ball screws, couplings, single-axis drive conditions of use, species selection, basic design requirements, advantages Characteristics of selected structural design, basic parameters, calculation and ver
12、ification, and analysis of security. There controlling each motor section of the motor model, type, profile, controlling step analysis, the preparation part of the control program, the operating characteristics of the analysis, the basic parameters of the calculation and verification.Goal ultimately
13、 include: stepper motor open loop control, crawl space anywhere through the arm actuator to achieve the hand quickly and effectively crawl objects, good sense and limit functions make every DOF on transport stop fast and accurate. Do as much as possible small size, light weight, low power consumptio
14、n, easy maintenance, beautiful appearance, quick action, smooth transmission, the program is simple, run error is small.Key Words: manipulator；teaching programming; se山东建筑大学毕业设计说明书- 0 -1 前 言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民提供耐用消费品的产业，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械设备。机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的
15、影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要指标。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济战略重点之一。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，工业机械手的工业机器人的一个重要分支，它的特点是通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性，机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置，在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动化生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内，迅速发展起来的一门新兴技术，
16、它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复和劳动，不知疲劳，不惧危险，抓举重物的力量比人手大的特点，因此机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。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备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手技术涉及到力学，机械学，电气液压技
17、术，自动控制技术，传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨多种学科的综合技术。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。1.1 工业机械手的分类目前，我国对工业机械手尚无交统一的分类标准。一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类。1.1.1 按规格（所搬运的工件重量）分类山东建筑大学毕业设计说明书- 1 -1）微型的搬运重量在 1kg 以下。2）小型的搬运重量在 10kg 以下。3）中型的搬运重量在 50kg 以下。4）大型的搬运重量在 500kg 以下。目前大多数工业机械手能搬运的重量为 1-30kg。最小的为
18、0.5kg，最大的已达800kg。1.1.2 按功能分类1） 简易型工业机械手 有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制，可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序。近年来，普遍采用可编程序控制器（PC）组成控制系统。这种机械手多为气动或液动，结构简单，价格便宜，改变程序较容易。只适用于程序较简单的点位控制，但作为一般单服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。2） 记忆再现型工业机械手 这种工业机械手有人工通过示教装置领动一遍，有记忆元件（如磁盘、磁带或存储器）把程序记录下来，以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者
19、相比较，有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较强。3） 计算机数字控制的工业机械手 可通过更换穿孔带或其它记忆介质来改变工业机械手的动作程序，还可以进行多机控制（DNC） 。计算机可以是可编程序控制器或微型计算机。4） 智能工业机械手 有计算机通过各种传感元件等进行控制，具有视觉、热觉、触觉、行走机构等。1.1.3 按用途分类1）专用机械手 附属于主机的，具有固定的程序而无独立的控制系统的机械装置。这种机械手工作对象不变，动作固定，结构简单，实用可靠，适用于成批、大量生产的生产自动线或专机作为自动上、下料用。2）通用机械手 具有独立控制系统、程序可变、动作灵活多样的机械手。通用机山东
20、建筑大学毕业设计说明书- 2 -械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。1.2 工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动机构和控制系统所组成的，各部分关系如图（1.1）所示，机械手的组成示意图如图（1.2）所示。 控 制 系 统 驱 动 系 统 执 行 机 构位 置 检 测 装 置 工 件图 1.1 工业机械手组成框图图 1.2 工业机械手组成示意图1手指 2手部 3手腕回转液压缸 4导向杆 5手臂伸缩液压缸6手臂回转液压缸 7手臂升降液压缸 8液压系统控制阀9液压泵电动机 10液压泵 11油箱山东建筑大学毕业设计说明书- 3 -1.2.1 执行机
21、构执行机构由抓取部分（手部） 、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成。（1）手部 详见第三章，即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型（多为回转型，因其结构简单） 。手爪多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式或内抓式两种；也可用负压或真空式的空气吸盘（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构型式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮杠杆式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 详见第四章，是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位（即姿态） 。（3）臂部 手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物体，并按预
22、定要求将其搬运到给定的位置。手臂有三个自由度，可采用直角坐标系（前后、上下、左右都是直线） ，圆柱坐标系（前后、上下直线往复运动和左右旋转） ，球坐标系（前后伸缩、上下摆动和左右旋转）和多关节（手臂能任意伸缩）四种方式。直角坐标占空间大，工作范围小，惯性小，所以一般不多用，只有在自由度数较少时用之。圆柱坐标占空间较小，工作范围较大，但惯性也大，且不能抓取底面物体。球坐标式和多关节式占用空间小，工作范围较大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体，多关节还可以绕障碍物选择途径，但多关节式结构较复杂，所以也不多用。目前常用的是球坐标式和圆柱坐标式的工业机械手。（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构。1.2.2 驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用点位控制或机械挡块定位控制时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300N 以下。液动式的臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。
