单臂回转式机械手机械系统的设计

毕业论文

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指 导 教 师：

南京工业大学本科生毕业设计

单臂回转式机械手机械系统的设计

摘 要

在工业生产中间，机械手可以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作，这样子能够保护人身安全，很大程度提高劳动效率和改善工人工作环境，在很多方面都体现出其不可替代的优势，因而在工业生产中应用广泛。本次所设计的机械手，为单臂回转式机械手，对机械手的要求是搬运一个一千克的铁块，从一个平台到另一个平台，旋转过的角度为90度。从上面的这些条件可以看出，对于机械手结构的选取就比较的多样化。我们可以选择圆柱坐标型的，也可以选择较为复杂的球坐标型和关节型。根据对机械手的运动部分结构的设计及选型，以及选定的夹持的方式，我们定出了机械手的总体结构,其中包括两个相互平行的液压缸和一个旋转的气压缸、电磁铁吸附装置、支座和底座。两个液压缸用于升降运动，气压缸用于回转运动，夹持器主要部分为一个吸附式电磁铁。此次设计中机械手动作固定，结构简单，可靠性较高，易于拆装，可用于机械设计和液压相关课程实验教学中的演示和拆装练习。

关键词：机械手 圆柱坐标型 液压缸 气压缸 吸附式

第一章 序言

The design of the mechanical system of the Single Arm Rotary

Manipulator

Abstract During the industrial production, the manipulator can substitute the heavy working of the workers, which can undergo the hazardous conditions, to realize the mechanization and automation of the production. According to these, the manipulator can ensure the personal safety, improve the effectives of the production and ameliorate the working conditions of workers. In many aspects, the manipulators reflect its irreplaceable advantages to be used widely in the industrial production. The manipulator designed in this paper is a single arm rotary manipulator, which requires the manipulator to move a kilogram of the iron from one platform to another, the rotation angle is 90 degrees. As the selection of the manipulator’s structure is diversification, we can choose the cylindrical coordinate type, or we can choose the more complex one, the ball coordinate type or the joint type. According to the design and the selection of the motion part structure of the manipulator, and the determined clamping way, we define the overall structure of the manipulator, which including a pneumatic cylinder and two hydraulic cylinders which are mutually parallel, an electromagnet adsorbing device, bearing and a base. The hydraulic cylinders are respectively used for the lifting movement and the pneumatic cylinder is for the turning movement. The holder’s main part is an adsorption type of the electromagnet. In this paper, the designed manipulator has following advantages: the motion is fixed, the structure is simple, the reliability is high and the manipulator is easy to assemble and disassemble. The manipulator can be used in the related mechanical design and hydraulic course for the experiment teaching, as the demonstration and disassembly practice.

Keywords: manipulator, cylindrical coordinate type, hydraulic cylinder, pneumatic cylinder, absorption

目 录

摘要-----------------------------------------------------Ⅰ

ABSTRACT-------------------------------------------------Ⅱ

第一章 序言----------------------------------------------1

1.1 概述 .............................................. 1

1.2 机械手的简介 ...................................... 1

1.2.1 机械手的应用 ............................... 1

1.2.2机械手的通常结构及其特点 .................... 2

1.2.3 机械手的结构 ................................ 3

1.2.4 机械手的发展.................................4

第二章 回转式机械手的机械系统的设计--------------------6

2．1回转式机械手总结构图的设计 ....................... 6

2．2 回转式机械手回转部分的机械设计 ................... 8

2．3回转式机械手的大臂的机械设计 .................... 10

2．4回转式机械手的小臂的机械设计 .................... 11

2．5回转式机械手的抓取部分的机械设计 ................ 13

2．6回转式机械手立柱部分的设计 ...................... 14

2．7回转式机械手底座部分的设计 ....................... 15

第三章 回转机械手的系统的仿真----------------------------17

第四章 总结----------------------------------------------19

参考文献-------------------------------------------------20

谢 辞---------------------------------------------------22

第一章 序 言

1.1概述

关于机械手，就是用来再现人手功能的技术装置[1]。机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能，用来按照固定的程序抓取，搬运物件或操作工具的自动操作的装置。在工业生产中间，机械手可以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作，这样子能够保护人身安全，很大程度提高劳动效率和改善工人工作环境，在很多方面都体现出其不可替代的优势，因而在工业生产中应用广泛,如图1-1所示，为一般的工业机械手在工作时候的情况。

[2]

图1-1 工业机械手

工业机械手是近代自动控制领域中新出现的一项技术，已经成为现代机械制造生产系统中一个重要组成部分，并逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手系统涉及到力学、机械学、液压与气压技术、自动控制技术和计算机等科学领域，是一项跨学科综合技术。

1.2 机械手的简介

1.2.1机械手的应用

目前而言，国内外机械工业中机械手主要应用于以下几个方面。第一，在热加工方面的应用。热加工是高温、危险、笨重的体力劳动，在很早之前，就要求实现自动化。为

了提高工作效率，和确保工人的人身安全，尤其是对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更加需要采用机械手操作。第二为冷加工方面的应用。冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等。进而在程序控制、数字控制等机床上应用，成为设备的一个组成部分。最近更在加工生产线、自动线上应用，成为机床、设备上下工序联接的重要于段。第三为拆修装方面的应用。拆修装是铁路工业系统繁重体力劳动较多的部门之一，促进了机械手的发展。目前国内铁路工厂、机务段等部门， 已采用机械手拆装三通阀、钩舌、分解制动缸、装卸轴箱、组装轮对、清除石棉等，减轻了劳动强度，提高了拆修装的效率。近年还研制了一种客车车内喷漆通用机械手，可用以对客车内部进行连续喷漆，以改善劳动条件，提高喷漆的质量和效率[3]。

近些年， 随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用， 工业机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

1.2.2机械手的通常结构及其特点

工业机器人的结构形式，主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构共4种【4】。

(1)直角坐标机器人结构。直角坐标机器人的空间运动，是用3个相互垂直的直线运动来实现的，如图l-2-2a。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度(μm级)。

(2)圆柱坐标机器人结构。圆柱坐标机器人的空间运动，是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图l-2-2b。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。

(3)球坐标机器人结构。球坐标机器人的空间运动，是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图1-2-2c。这种机器人结构简单，成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。

(4)关节型机器人结构。关节型机器人的空间运动，是由3个回转运动实现的，如图1-2-2d。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。

图1-2-2 四种机器人坐标形式

1.2.3 机械手的结构

机械手主要由手部，运动机构和控制系统三大部分组成的。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状，尺寸，重量，材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型[5]和吸附型[6]等。其中夹持型比较通用，可以根据工件的外形特点设计与之相符合的夹具与之相匹配；吸附型又分成真空吸附和电磁吸附，它们分别试用于表面光滑工件和铁磁性材料工件。如图1-2-3为吸附式电磁铁机械手在工业中工作的情况。

图1-2-3 吸附式机械手

运动机构，使手部完成各种转动，移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势[7]。运动机构能够使手部完成各种动作（摆动或转动）、移动或者复合运动来实现规定的要求，从而达到改变被抓持物件的位置和姿势的目的。运动机构的升降、伸缩和旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度[7]。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越好，通用性越广，但其结构也越复杂。6个自由度的机械手可以抓取空间中任意位置和姿势的物体，但其结构复杂，要求也相对较高。一般专用机械手2～3个自由度[8][9]就已经足够了。控制部分[10]~[12]是实现机械手自动或半自动运行的模块，在没有人直接参与的情况下，由控制器按既定程序操作机械手进行作业。目前比较常见的是通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC[13]）来实现机械手的自动化控制。

控制系统，是机械手系统的核心部分，其主要作用是使得工业机械手能够按照预定的动作正确地完成每一个 动作。目前工业机械手的控制系统，一般都包括主控系统与定位系统。

1.2.4 机械手的发展

（1）重复高精度

精度是指机器人、机械手到达指定点的精确程度它与驱动结构的分辨率以及反馈信息息系统准确度有关。重复精度[14]是指如果动作重复多次，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机器人定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差，它通过一定次数地重复运行机器人来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展,机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔, 如核工业和军事工业等。

（2）模块化

有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手运动自如。模块化机械手使同一机械手可能由于应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。文献[19]中医用微型机器人与机械臂的配合使用就是模块化的典型使用。

（3）智能化

机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。

（4）机电一体化

由“可编程序控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”；省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能[13]-[18]。

随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中。而且，随着人类生活水平的提高及文化生活的日益丰富多彩，未来各种专业服务机器人和家庭用消费机器人将不断贴近人类生活，其市场必将繁荣兴旺。

第二章 回转式机械手的机械系统的设计

2．1回转式机械手总结构图的设计

本次所设计的机械手，为单臂回转式机械手，对机械手的要求是搬运一个一千克的铁块，从一个平台到另一个平台，旋转过的角度为90度。从上面的这些条件可以看出，对于机械手结构的选取就比较的多样化。我们可以选择圆柱坐标型的，也可以选择较为复杂的球坐标型和关节型。由于我们这次设计的机械手，主要是用于教学方面的，对精度的要求并不大，而且其只要求机械手能够抓取物件进行回转的运动。所以我们可以简化这次的机械手结构。而在众多的结构之中，圆柱坐标型成为了比较不错的选择，即如图1-2-2中b所示。这种结构相对而言结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，能够较容易地实现回转和抓取的运动要求。因此，本次所设计的机械手采用圆柱坐标式。机械手的运动是以一个回转和两个直线运动来实现的。

在选定了使用圆柱坐标式机械手后，我们可以把机械手的运动划分为三个部分，机械手的运动有：回转运动；提升工件的运动；抓取工件的运动。而对于这三个部分，我们可以设计出相应的结构。这样，也使得设计的任务简化为几个有效而且简洁的目标。这样思路也比较清晰，而且对于部件的选取也更加具有可行性和可操作性。

一般而言，手臂的回转与升降通常是通过立柱的运动来实现的，在本次的设计中，我们把机械手的回转和上升都集中在立柱上，由于这次设计所采用的材料为铝合金，而且所要抓取的工件为1kg，所以提升的重量不是太大，于是我们把立柱设计为能够使得大臂进行回转和提升整个机械手的结构，在设计过程中，我们把立柱的回转与提升分开，分别由一个旋转气压缸和一个伸缩的液压缸来实现。而在小臂上面，我们则安置了一个液压缸，这样是方便抓取机构能够简易的抓取物体。回转式机械手的简要的原理图，如图2-1：

图2-1-1 机械手原理图

根据上面对机械手的运动部分结构的设计及选型，以及选定的夹持的方式（我们将在

2.5中设涉及），定出机械手的总体结构（如图2-1-2、2-1-3）,其主要包括两个相互平行的液压缸和一个气压缸、电磁铁吸附装置、支座和底座。底座放在地面上，通过螺栓与竖直液压缸连接，再通过键连接把水平的大臂与竖直的液压缸伸出的活塞杆垂直连接，然后通过支架与大臂的另一端链接，小臂上的竖直液压缸与支架链接，最后整个电磁铁吸附机构用螺栓连接在小臂上的液压缸的活塞杆顶端。液压缸提供升降的运动和气压缸提供回转的运动，夹持力由电磁铁的吸附力所产生。

2-1-2 机械手总体结构 正视图

2-1-3 机械手总体结构 左视图

2．2 回转式机械手回转部分的机械设计

本次所设计的回转缸，我所选择的是AY-R系列的中实旋转气压缸，其数据如表2-2-1所示：

品牌

缸径

重量 中实型气缸 型号 种类 AY-R （韩国三千里） 柱塞式气缸 适用范围 5~30 5~30（mm） 理论作用力 130（N） 18.7（kg） 气缸数 3 最大负荷 3443（N） 最大力距 333（Nm）

表2-2-1 回转缸的相关数据

这与这次所设计的立柱的直径相符，而且其重量为18.7kg，能够使得回转机械手在工作中的重心在工件内部，使得工作平台不会出现倾覆的情况。

本次所设计的回转式机械手，我们设定它能旋转任何角度，所以回转缸以及立柱能够进行任何角度的转动。在这里，我们对回转的驱动力矩M进行了校核：

M>（1.1～1.2）(M摩+M偏+M惯)（N·m）

式中，

M摩——手腕支撑处的摩擦阻力矩(N·m)；

M偏——工件重心偏置的偏置力矩(N·m)；

M惯——手腕运动的惯性力矩(N．m)。

（1） 摩擦阻力矩的计算。

M摩=f/2*(N1*D1+N2*D2)(N·m)

式中，

N1，N2—轴承处支反力（N）；

D1，D2—轴承直径（m）；

F—轴承的摩擦系数。

由于回转缸为气压缸,所以在这方面的摩擦可以忽略。

（2） 偏置力矩M偏的计算。

M偏=G*e（N·m）

=10*200mm/1000=2(N·m)

式中，

G—工件自身的重力（N）

e—工件重心到手腕转轴线的垂直距离（m）

（3）惯性力矩M惯的计算。

M惯=0.0175*（J腕+J手+J工）*w/t(N·m)

式中，

J腕—手腕的转动部件对其运动轴线的转动惯量；

J手—手部对手腕转动轴线的转动惯量；

J工—工件对手腕转动轴线的转动惯量；

W—手腕转动的角速度（1/s）；

t—手腕启动过程所需用的时间（s）

由于此次回转缸被我们安放在立柱的底端部分，我们可以把工件以及手部假设为一个整体，我们假设物体连同工件的质量为8kg，回转缸的质量为18.7kg，w为3（1/s）,启动的时间为0.1秒。

M惯=0.0175*（0.43+0.04）*3/0.1=0.25(N·m)

M总=1.2*（0.25+2）=2.7（N·m）<333N·m

所以运用这个旋转气压缸是合理的。图2-2-1为气压缸的实物图：

图2-2-1 回转气压缸

2．3 回转式机械手大臂的机械设计

关于大臂的设计，大臂通常一般要应承载能力大、刚度好、自重轻。所以在设计中要根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸，提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离，合理布置作用力的位置和方向，注意简化结构，提高配合精度。而且大臂连接着液压缸与气压缸，在这里，则选取用了铝合金的作为材料，在尺寸方面，于整体做配合，大臂与小臂和立柱之间，都采用了键连接，所以大臂的尺寸如图2-3-1所示：

图2-3-1 大臂尺寸图

（1）关于大臂与立柱连接的键的计算校核：

由于是平键连接，且轴的直径为15mm，所以我们选择为键宽b为5，键高h为5的键，键长L为16。由于是静联接，所以我们可以得出：

2T 103

σp= p kld

式中：

T—传递的转矩

k—键于键槽接触的高度

l—键的工作长度

d—轴的直径

2 3 103

p 10MPa<300MPa(附：铝合金的许用挤压应力大于300MPa) 2.5 16 15

所以大臂与立柱之间采用键联接是合理的。

（2）大臂与支架之间的连接键的计算与校核

由于是平键连接，且轴的直径为15mm，所以我们选择为键宽b为5，键高h为5的键，键长L为16。由于是静联接，所以我们可以得出：

2T 103

σp= p kld

则有

2 1.5 103

p 5MPa<300MPa(附：铝合金的许用挤压应力大于300MPa) 2.5 16 15

所以大臂与立柱之间采用键联接是合理的

2．4 回转式机械手小臂的机械设计

对于机械手的小臂，我们放置了一个用于升降的液压缸，以及使之与大臂所连接的用在液压缸上面的支架。首先是对于液压缸的选型。

伸缩液压缸所需驱动的力包括夹持器及工件的移动惯性力和系统自身阻力，总的作用力较小，所以选择系统压力P=0.8MP=8bar，则系统最大压力Pmax=1.5P=1.5×8=12bar，

根据结构要求选择CD型单杆液压缸，选择MS2型底座安装形式，如图2-4-1：

图2-4-1 液压缸结构

以下是选择液压缸活塞和活塞杆直径所需要的一些数据，

推力：F=RW+RM+RF≈10N,其中RW为轴向外作用力；RM为惯性力； RF为系统阻力。

拉力：此处拉力与阻力相当，取20N；

行程：按系统要求，行程S=100mm；

安装角度：该液压缸竖直安装，所以： 90

从而确定D=25mm，d=18mm。

根据以上几个步骤确定了液压缸型号为：CDT3MS2/25/18/100F11/B11HDUMWW

伸缩液压缸的安全性能校核数据结果如图2-4-2所示，由图中数据可知该液压缸安全性满足要求。

图2-4-2 安全系数

用proe软件建模画出伸缩液压缸三维图，如图2-4-3：

2-4-3伸缩缸结构

在液压伸缩缸选好型后，则要设计出连接的支架部分。

支架用于液压缸于大臂的连接，采用铝合金材料，根据伸缩液压缸的结构对支架的结构及尺寸做了确定，如图2-4-4和2-4-5：

图2-4-4 支架正视图

图2-4-5 支架俯视图

2．5 回转式机械手的抓取部分的机械设计

这次设计是磁吸式机械手的设计。常用的工业机械手手部，按握持工件的原理，分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体，适合用于本方案。通过综合考虑，本设计选择吸盘作为磁吸式机械手的手抓。为了使机械手能够平稳的搬动工件，选择了ZYE1-P20/15的吸盘式电磁铁，吸盘内的磁力由电磁铁提供。如图2-5-1：

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