1、 西安工业大学学士学位论文 1轻型平动搬运机械手的设计及运动仿真摘要随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要叙述了机械手的设计计算过程 。首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。文章中介绍了搬运机械手的设计理论与方法。全面详尽的讨论了搬运机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。最后使用软件对机械手的手部实现运动仿真。关键词：机械手；运动仿真；液压传动；液压缸；西安工业大学学士学位论文 2The light stable motion transports manipu
2、lators design and the movement simulationAbstractThe applying of the manipulators are more and more important in the industry, with the development of industrial automation. The paper mainly narrated the design and calculation of light and transfer manipulator.The first，The paper introduces the func
3、tion,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.This article system elaboration industry manipulators design theory and method. The comprehensive exh
4、austive discussion has transported manipulators hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation.Finally uses the software to carry out the movement simulation for manipulators hand.Keywords: manipulator; motion simulation; hydraulic power transmission；
5、Hydraulic cylinder西安工业大学学士学位论文 3目录中文摘要 .1英文摘要 .2主要符号表 .51 绪 论 .11.1 前言 .11.2 工业机械手的简史 .11.3 工业机械手在生产中的应用 .31.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 .31.3.2 在实现单机自动化方面 .31.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 .31.4 机械手的组成 .41.4.1 执行机构 .41.4.2 驱动机构 .41.4.3 控制系统分类 .51.5 工业机械手的发展趋势 .51.6 本文主要研究内容 .61.7 本章小结 .62 机械手的总体设计方案 .7西安工业大学学士学位论
6、文 42.1 机械手基本形式的选择 .72.2 机械手的主要部件及运动 .72.3 驱动机构的选择 .82.4 机械手的技术参数列表 .82.5 本章小结 .83 机械手手部的设计计算 .93.1 手部设计基本要求 .93.2 典型的手部结构 .93.3 机械手手抓的设计计算 .93.3.1 选择手抓的类型及夹紧装置 .93.3.2 手抓的力学分析 .103.3.4 夹紧力及驱动力的计算 .113.3.5 手抓夹持范围计算 .123.4 机械手手抓夹持精度的分析计算 .133.5 弹簧的设计计算 .143.6 本章小结 .164 腕部的设计计算 .174.1 腕部设计的基本要求 .174.2
7、腕部的结构以及选择 .17西安工业大学学士学位论文 54.2.1 典型的腕部结构 .174.2.2 腕部结构和驱动机构的选择 .184.3 腕部的设计计算 .184.3.1 腕部设计考虑的参数 .184.3.2 腕部的驱动力矩计算 .184.3.3 腕部驱动力的计算 .194.3.4 液压缸盖螺钉的计算 .204.3.5 动片和输出轴间的连接螺钉 .214.4 本章小结 .225 臂部的设计及有关计算 .235.1 臂部设计的基本要求 .235.2 手臂的典型机构以及结构的选择 .245.2.1 手臂的典型运动机构 .245.2.2 手臂 运动选择机构的 .245.3 手臂直线运动的驱动力计算
8、 .245.3.1 手臂摩擦力的分析与计算 .245.3.2 手臂惯性力的计算 .265.3.3 密封装置的摩擦阻力 .265.4 液压缸工作压力和结构的确定 .26西安工业大学学士学位论文 65.5 本章小结 .286 机身的设计计算 .296.1 机身的整体设计 .296.2 机身回转机构的设计计算 .306.3 机身升降机构的计算 .346.3.1 手臂偏重力矩的计算 .346.3.2 升降不自锁条件分析计算 .356.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 .366.4 轴承的选择方案 .366.5 本章小结 .377 ADAMS 模型的建立与仿真 .387.1 虚拟样机技术 .3
9、87.2 ADAMS 软件 .387.3 手部模型的建立 .407.4 本章小结 .448 结 论 .45西安工业大学学士学位论文 7主要符号表手指夹紧力 NNFD 弹簧中径 m弹簧内径 1弹簧外径 2C 弹簧旋绕比 n 弹簧有效圈数M 转动缸的回转力矩 N偏重力臂 mm偏重力矩 偏 mt 螺钉间距 mm螺钉承受的拉力 N0QF工作载荷 N预紧力 N sQ转动缸起动角 度启转动缸转动角速度 rads1 绪论 11 绪论1.1 前言用于再现人手的的功能的技术装置称为 。机械手是模仿着人手的部分动1机 械 手作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手
10、被称为 。2工 业 机 械 手工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以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各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的发展是由于它的积极作
11、用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人工操作；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，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的 。 3重 视机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开
12、始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。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，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化 。4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，控制系统是示教型的。西安工业大学学士学位论文
13、21962 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 Un
14、imate 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
15、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 5
16、0%。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(F
17、lexible 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。西安工业大学学士学位论文 31.3 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛 。5广 泛在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工
18、作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自
19、动线一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类） ，大连电机厂的 4 号和 5 号电动机加工自动线（轴类） ，上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。1.3.2 在实现单机自动化方面各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手
20、，沈阳第三机床厂的 Y38 滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是 160t 以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂 200t 环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂 400t 冲床的下料机械手等；其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的 120t 和 40t 多工位冲床机械手等。1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面模锻方面，国内大批量生产的 3t、5t、10t 模锻锤，其所配的转底炉，用两只
