多自由度的机械手机械臂的设计
摘要
在当今大规模制造业中，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，机械手作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。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工业自动化的水平，目前，机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。
本文将设计一台多自由度的机械手，主要的功用就是自动搬运。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、手腕和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的动力传输系统，重点加强传动部分的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：腰部的旋转运动，大臂的俯仰运动，大臂移动副的伸缩运动，能够应用于搬运与装配作业。
关键词：机械手，自由度
在发达国家，机械手已广泛地应用于工业、国防、科技、生活等各个领域。产业部门应用最多的当推汽车工业和电子工业，在金属加工、塑料成型、机械制造等行业也有普遍应用，并逐渐向纤维加工业、食品工业、家用产品制造等行业发展。在工业生产和其它应用领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温，腐蚀，有毒气体以及人的有限体能等种种劣势的限制，工作效率很低。自从机械手问世以来，相应的各种难题应刃而解。机械手由耐高温，防腐蚀的材料制成，工作效率极高，而且不受体能的限制，非常方便。
机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备是模拟人手的部分动作按给定程序、轨迹和要求实现自动升降、平移、抓放等操作的自动化装置。机械手目前虽然没有人手那么灵活,但它具有能不断重复劳动和工作,不知疲劳,不怕危险抓举重物的力量比人大等特点。生产中应用机械手可以大大提高劳动生产率、保证产品质量、实现安全生产尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下,用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业大大地改善了工人的劳动条件。同时在一些动作简单但又重复作业的操作中以机械手代替人手进行工作可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
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。
本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。
本设计通过对大学三年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现所学的的理论研究水平，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.
目 录
第一章 绪论 1
1.1 机械手的分类 1
1.1.1简史 1
1.1.2应用简况 2
1.1.3发展趋势 3
1.2 机械手的组成 3
1.2.1执行机构 4
1.2.2 驱动机构 5
1.2.3 控制系统 5
1.3 应用机械手的意义 5
一、以提高生产过程中的自动化程度 6
二、以改善劳动条件，避免人身事故 6
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 6
1.4 机械手的现状 6
1.5工业机械手在生产中的应用 8
1.5.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线 8
1.5.2 在实现单机自动化方面 8
1.5.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面 9
第二章 机械手的设计与计算 10
2.1 具体设计方案 10
2.2 手臂的设计计算 10
2.3手臂作升降运动的液压缸驱动力计算 11
2.3.1液压缸活塞的驱动力的计算 11
2.3.2 的计算 11
2.3.3 的计算 12
2.3.4 的计算 13
2.3.5驱动力的确定 14
2.4 确定液压缸的结构尺寸 14
2.4.1液压缸内径的计算 14
2.4.2液压缸壁厚计算 15
2.5缸盖螺钉的计算 16
第三章 手臂回转液压缸的设计计算 18
3.1 手臂回转时所需要的驱动力矩 18
3.2回转缸内径D的计算 20
3.3缸盖联接螺钉和动片联接螺钉计算 21
3.3.1缸盖联接螺钉计算 21
3.3.2动片与输出轴联接螺钉计算 22
3.3.3 花键轴的设计校核 24
3.3.4 升降液压缸和回转缸的轴承选择 26
第四章 夹钳式手部设计的基本要求 27
4.1基本要求 27
4.2夹钳式手部的计算与分析 27
4.2.1夹紧液压缸的计算 27
4.2.2液压缸直径Ｄ的确定 30
第五章 机械手控制系统的设计 31
5.1机械手工艺过程与控制要求 31
5.1.1机械手的作业流程 31
5.1.2机械手操作面板布置 33
5.1.3控制器的选型 33
5.1.4控制系统原理分析 34
5.1.5PLC外部接线设计 34
5.1.6 I/O地址分配 35
5.2机械手控制系统软件设计 36
5.2.1机械手控制程序设计 37
参考文献 39
致谢 40
参考文献
[1] 肖继德·机床夹具设计·机械工业出版社.2000
[2] 华中科技大学主编·液压与气压传动·机械工业出版社.2004
[3] 徐灏 .机械设计手册.机械工业出版社. 1991
[4] 张幼桢主编·金属切削原理·航空工业出版社，1987.8
[5] 上海机械学院主编·机械设计基础·机械工业出版社，1998.6
[6] 中国机械工业教育协会组编·机械制造基础·机械工业出版社.2001
[7] 机械工业出版社编·机械工程手册，1999.5
[8] 陈宏钧主编·机械工人切削技术手册·北京：机械工业出版社，2005.7
[9] 吴拓，方琼珊·机械制造工艺与机床夹具课程设计指导·2005.11
http://www.bysj360.com/html/4709.html http://www.bylw520.net/html/5047.html
