立柱式助力机械手设计方案

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题 目 立柱式助力机械手设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自 0902 学 生 学 号 指导教师

二〇一三 年 三 月 二十五 日

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学院 机械工程学院 专业 机械工程及自动化 学生 学号 设计题目 立柱式助力机械手设计 一、选题背景与意义

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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，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工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

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。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南/华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣,因为他们要面对工人流失率高,以及工人交工伤费带来的挑战。

在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：

1. 可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化

程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2. 可以改善劳动条件、避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空

间狭窄等场合中，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。

3.可以减少人力，便于有节奏的生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连

续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

二、设计内容

该课题主要是完成立柱式助力机械手的设计，根据现场情况，助力机械手可以选择不同的安

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装形式，完成安装高度受限的环境下，工作行程要求大的负载搬运要求。分机械部分设计和控制器部分的设计。设计内容主要包括：

1. 对立柱式助力机械手的机械部分进行设计，充分考虑地脚安装个性，对机构的各零件进行设计，校核和验算。

2. 利用单片机控制实现机械手的操作，使系统满足动态过程平稳、响应动作要快、跟踪和搬运负载准确的基本控制性能。

三、设计方案

(一).机械手设计的要求及指标

立柱式助力机械手的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运物体，这就要求它们具有精度高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位等特性。

设计立柱式助力机械手的原则是：充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料你特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性。

立柱式助力机械手设计的主要技术指标为: 1.设计的机械手为三自由度；

2.机械手的水平旋转由步进电机驱动实现，可实现的转角为±180°；

3.机械手的水平移动自由度由TN25×200气缸实现；垂直升降自由度由MSAL20×100气缸实现；其手爪的开合由SDA×10气缸实现；

4.该机械手的主要搬运物体为近视圆柱状，物体为垂直放置，重量约为1kg; 5.系统的控制器件选用单片机控制。 1.1 机械手的结构方案设计

为了使机械手的通用性更强，机械手的手部即手爪部分采用双支点齿弧轮、齿条型手爪，它是齿条在气缸的带动下与齿弧轮啮合并使齿弧轮绕其回转中心旋转来实现手指的开闭动作，他的优点的动作灵敏、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。

考虑到要利用回转机构来满足工作要求，因此在立柱内部安装一台小型步进电机，步进电机来完成机械手的回转运动，目前步进电机的最小转角完全能实现1.8°/s的最小转角。而且步进电机的成本不高，进一步增加了机械手的通用性。

手臂的横移和升降通过气缸来实现，它具有成本低廉、结构简单、抗干扰性强等特点。 1.2 机械手的驱动方案设计

由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄露较小，成本低廉，加之抓取载荷较轻，气压驱动所采用的元件为气压缸、气马达等。一般采用4~6个大气压，个别达到8~10个

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大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。

1.3 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的开放性和通用性，同时可以使用点位控制，所以我们利用单片机对机械手控制，当机械手的动作流程改变时，我们只需要改变单片机的内部程序，非常便捷。而且它还可以提供与PLC、计算机等多种接口，更能实现多机械手协调作业。

(二).手爪的设计

本机械手手爪采用机械式手爪，机械式手爪是最基本的一种，应用广泛，种类繁多。如按手指运动的方式和模仿人手动作，可分为会转型、直进型；按夹持方式可分为内撑式、外撑式和自锁式；按动力来源可分为弹簧式、气动式、液压式等。

机械式手爪由驱动元件、手爪夹持部件、传动机构、手指及各种附件组成。

夹持式是较常见的一种手部形式，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式；按手指夹持工件的部位又可分为内卡式和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二指点会转型和移动型，其中以二支点回转型为基本形式。回转型手指开闭角较小，具有动作灵活、结构简单、制造容易、适应性强、精度高等特点。因此本机械手采用回转型齿轮齿条传动的内卡式手爪。

(三).立柱结构及底座的设计

1、立柱结构的设计

立柱是本机械手的基础结构，它不仅承担整个机械手的重量和工作时所产生的所有载荷，而且内部还安装了步进电机、推力球轴承等重要部件。所以立柱结构的合理性关系到整个机械手稳定性。

根据步进电机的直径选择立柱的直径，所以立柱采用横截面积为80×80﹙mm﹚,壁厚为3mm，材料为Q235A的方管。经粗略计算，横移手臂、垂直升降手臂、手爪、气缸及其他连接件的重量为3.5kg。所选的立柱的尺寸、材料完全能满足要求。

由于本机械手的工作载荷较小，所以所有的连接方式都采用螺栓连接，根据气缸和回转机构的结构，采用在立柱上部焊接接口板的形式，然后在接口板上根据设计尺寸钻孔，最后用螺栓固定。立柱由立柱底部接口板、立柱和立柱顶部接口板组成。底部接口板与底座联接，立柱顶部接口板与步进电机接口板联接。立柱上的两个孔为观察孔，为了步进电机布线方便。

其外形图如下：

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图1 立柱组件外形图

1.立柱底部接口板 2.立柱 3.立柱顶部接口板

根据轴承轴的尺寸，设计的步进电机接口板的外形图如下图2：

图2 步进电机接口板外形图

2.底座的设计

本机械手的底座是用来固定立柱，安装气动附属组件、步进电机控制系统等。根据工艺要求，底座采用硬铝铸。

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四、参考文献

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五、指导教师评语

指导教师（签字） 201 年 月 日 六、审核意见

系主任（签字） 201 年 月 日

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