（全套CAD）多自由度机械手设计（终稿）

虽然这种机械手出现在六十年代初，但都是国外机械手发展的基础。

从年代后期起，喷漆弧焊工业机器人相继在生产中开始应用。

年美国公司和斯坦福大学麻省理工学院联合研制出种.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。

联邦德国机器制造业是从年开始应用机械手，主要用于起重运输焊接和设备的上下料等作业联邦德国公司还生产种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制日本是工业机器人发展最快，应用国家最多的国家，自年从美国引进两种典型机械手后，开始大力从事机械手的研究，目前以成为世界上工业机械手应用最多的国家之。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，主要用于机械化自动化程序较低繁重单调有害于健康的辅助性工作。

发展趋势现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。

车身在每个工序的移动车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位点焊机焊头的快速接近减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。

目前世界高端工业机械手均具有高精化，高速化，多轴化，轻量化等的发展趋势。

定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到，良新产品可以达到轴，负载的产品系统总重已突破。

更重要的是将机械手柔性制造系统和柔性制造单元相互结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，从而向着电子信息生物技术生命科学及航空航天等高端行业发展。

.本设计主要研究的内容本课题研究的机械手共拥有五个自由度，采用全液压驱动，来夹取工件，本文拟定解决的主要问题如下机械部分机械手的执行机构，由手爪手腕手臂支座组成。

手爪是抓取机构，用来夹紧或是松开喷枪，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。

手腕是连接手指和手臂的元件，可以进行俯仰动作。

自由度，机械手，设计，毕业设计，全套，图纸绪论.选题背景及其意义.国内外研究现状与发展趋势国内的研究现状国外研究现状发展趋势.本设计主要研究的内容机械设计结构部分机械手驱动方式机械手的总体设计.机械手的组成.机械手的设计设计要求总体设计任务总体方案拟定机械手结构件设计.末端操作器的设计.手腕的设计.手臂的设计.机身和机座的设计机械手各部件的载荷计算.设计要求分析.手指夹紧机构的设计.手臂伸缩机构载荷的计算.手臂俯仰机构载荷的计算.机身摆动机构载荷力矩的计算.初选系统工作压力机械手各部件结构尺寸计算及校核.手腕油缸尺寸的设计校核.手臂伸缩机构结构尺寸的设计校核.手臂俯仰机构结构尺寸的设计校核.机身摆动机构的设计校核.强度校核.弯曲稳定性校核液压系统的设计.基本回路的选择.液压元件的选择与校核液压泵的选择液压泵所需电机功率的确定液压阀的选择液压辅助元件的选择原则油箱容量的确定液压原理图结论参考文献致谢毕业论文独创性声绪论.选题背景及其意义随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。

这方面可以减轻工人的劳动强度，另方面可以大大提高劳动生产率。

通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决般工程技术问题的能力进步培养学生分析问题创造性地解决实际问题的能力。

本课题中多自由度机械手系统主要采用液压驱动。

.国内外研究现状与发展趋势国内的研究现状工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接喷漆上下料和搬运。

工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险有害有毒低温和高温等恶劣环境中工作，代替人完成繁重单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。

目前主要应用与制造业中，特别是电器制造汽车制造塑料加工通用机械制造及金属加工等工业。

工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。

随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域日益扩大。

我国工业机械手的研究与开发始于世纪年代。

年我国第台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。

从第七个五年计划开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且.手指夹紧机构的设计设计中采用四指形结构，指面光滑，避免工件被夹持部位的表面受损。

手指的驱动采用弹簧复位单活塞杆单作用液压缸，传动机构采用斜楔杠杆式复合回转传动，并在杠杆上装有张紧弹簧，以保证手指夹紧驱动液压缸的复位。

手指厚度根据需要夹持的工件设定，形指合拢后的的尺寸为工件被夹持部位直径的外接正六边形，保证了机械手工作时的可靠性。

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部结构的主要依据。

夹紧力必须克服工件重力所产生的载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷惯性力或惯性力矩，以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力计算.式中安全系数，通常取工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可估算.其中重力加速度运载工件时重力方向的最大上升加速度，可计算.运载工件时重力方向的最大上升速度，.。

系统达到最高速度的时间，般取。

方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定。

。

被抓取工件所受重力。

计算可得手指夹紧由单作用液压缸驱动实现，则手指夹紧缸的载荷为.手臂伸缩机构载荷的计算手臂伸缩采用双作用液压缸实现，臂部作水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还在克服启动过程中的惯性力。

其驱动力可可按下式计算.式中各支承处的的摩擦阻力，其大小可按下式估算.式中运动部件所受的重力外载荷作用于导轨上的正压力，其大小可按下式计算.摩擦系数，取.，详见机械设计手册表.启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算.式中重力加速度，取.速度变化量。

如果臂部从静止状态加速到工作速度时，则这个过程的速度变化量就等于臂部的工作速度。

启动或制动时间，般为.电机驱动步进或伺服电机可用于程序复杂运动轨迹要求严格的小型通用机械手异步电机直流电机适用于抓重大速度低的专用机械手电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测传递处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。

但控制性能差，惯性大，不易精确定位。

机械联动动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少速度快的专用机械手。

同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。

运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。

与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作。

液压元件基本已经上系列化通用化和标准化，利于技术的应用提高工效，降低成本。

容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力推力或转距。

液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。

液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。

液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。

综上，本次设计采用液压驱动。

控制方式的选择点位控制方式连续轨迹控制方式力力矩控制方式智能控制方式。

点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中些规定的离散点上的位姿。

控制时只要求工业机器人快速准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。

这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。

由于其控制方式易于实现，常应用于上下料搬运点焊等工业机器人。

连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严格按照预定的轨迹和速度在定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。

这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。

简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下俯仰和左右摆动等。

支柱用来支撑手臂，它是固定的。

机械结构部分.运动形式方案选择为实现不同动作，应选取不同方案。

本课题已确定采用球坐标机构。

.机身结构机身采用回转与俯仰结构机身。

实现回转的驱动方案有几种，摆动油缸驱动，升缩油缸在上，回转油缸在下。

实现机身回转采用液压马达驱动。

.手臂结构手臂的运动方式为左右转动前后伸缩及上下摆动，其中上下摆动采用手臂俯仰油缸与活塞杆机构连用来实现，手臂的前后伸缩采用直线缸来实现。

.手腕结构手腕设计根据我所设计的机械手的要求，选择双自由度手腕。

手腕的俯仰动作由液压缸直接驱动，抓取同样用液压缸驱动。

机械手驱动方式采用液压驱动，液压实现机身的回转与俯仰，以及各部件的伸缩俯仰运动。

为实现机身的旋转，选用液压马达驱动。

手臂伸缩与俯仰都采用液压缸驱动。

手腕俯仰采用液压缸驱动，手抓的驱动同样采用液压驱动。

机械手的总体设计.机械手的组成机械手由三大部分机械部分传感部分控制部分六个子系统驱动系统机械结构系统感受系统机器人环境交互系统人机交互系统控制系统组成。

机械结构系统机器人的机械结构又主要包括末端操作器手腕手臂机身立柱。

驱动系统驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节能够工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动直流电机驱动交流电机驱动液压驱动气压驱动以及近些年出现的些特殊的新型驱动例如超声波驱动磁致伸缩驱动静电驱动等。

控制系统机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式连续轨迹控制方式力力矩控制方式和智能控制方式。

.机械手的设计设计要求该机械手的动作流程初始位姿手爪松开抓住物体机身转动手臂向上运动且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等。

这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所开发的，同时系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器等。

我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。

在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，研制出示教式机械手计算机控制机械手和组合式机械手等。

所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专业机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的要研制示教式机械手计算机控制机械手和组合机械手等。

同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。

可以将机械手各运动构件，如伸缩摆动升降横移俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大了应用范围。

目前国内机械手主要用于机床加工锻造。

热处理等方面，数量品种性能方面都不能满足工业生产发展的需要。

此外还应大力研究伺服型记忆再现型，以及具有触觉视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的个基本单元。

国外研究现状国外机械手在机械制造行业