多自由度机械手虚拟样机设计毕业论文最终版（有删节） - 图文

学号 200XXXXXXX 密级________________

XXXXXXXXXX本科毕业论文

多自由度机械手的虚拟样机设计

院（系）名 称：XXXXXXXXXX

专 业 名 称 ：机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 ：XXX 指 导 教 师 ：XXXX

二○一三年五月

郑 重 声 明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名： 日期：

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摘要

机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，有长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。

机械手涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多个方面的学科，它代表了机电一体化的最高成就。它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。现今，机械手已经运用到各个领域，特别是在装配作业方面。

本文将设计一台六自由度的机械手，主要对机械手进行结构，重点设计机械手夹持部位和大臂的传动。本次设计的机械手主要是用于教学。

关键词：机械手，结构设计，传动，教学

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Abstract

Manipulator is the first industrial robots, as well as the first modern robot, there is long time continuous operation, high accuracy and ability to resist bad environment, it can be hard work instead of people to achieve the mechanization and automation of production. Manipulator involving computer science, mechanics, electronics, automatic control, artificial intelligence, and other aspects of the discipline, it represents the highest achievement of electromechanical integration. It is one of the important production industry and the industry and service facilities, is an indispensable automation equipment of the advanced manufacturing technology. Today, the manipulator has been applied to various fields, especially in the case of assembly operations.

This paper will design the main structure of the six degrees freedom manipulator, the key design of manipulator clamping part and the big arm drive. The design of the manipulator is mainly used in the teaching.

Keywords: mechanical, structural design, transmission, teaching

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目 录

Abstract ............................................................................................................... 错误！未定义书签。 目 录 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。 第1章 绪论 ...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1．1机械手概述 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 1.2机械手的组成和分类................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2.2机械手的分类.................................................................................... 错误！未定义书签。 1.3机械手市场前景 .......................................................................................... 错误！未定义书签。 1.4机械手的发展趋势....................................................................................... 错误！未定义书签。 第2章 机械手的总体整体设计方案 ............................................................. 错误！未定义书签。 2.1设计任务书 .................................................................................................. 错误！未定义书签。

2.1.1设计的目标........................................................................................ 错误！未定义书签。 2.1.2技术要求 ........................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2机械手总体设计中总体方案的论证 ........................................................... 错误！未定义书签。 2.3 机械手机械传动原理 ................................................................................ 错误！未定义书签。 2.4整体方案设计 .............................................................................................. 错误！未定义书签。

2.41初拟设计方案..................................................................................... 错误！未定义书签。 2.42 最终设计效果图 ............................................................................... 错误！未定义书签。 2.43 机械手各关节结构图 ........................................................................ 错误！未定义书签。 第3章 结构设计与计算................................................................................... 错误！未定义书签。 3.1机械结构的部分计算................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2传动零件设计计算....................................................................................... 错误！未定义书签。

3.2.1 I轴齿轮传动强度设计 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.2 II轴齿轮传动强度设计 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.3 III轴齿轮传动强度设计 ................................................................... 错误！未定义书签。 结论 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。 致 谢 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。 附录 .................................................................................................................... 错误！未定义书签。

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是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，液压油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 （3）机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。 （4）电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便 1.3机械手市场前景

机械手是机器人的重要组成部分，从20世纪下半叶起，世界机器人工业一直保持着稳步增长的良好势头，进入90年代，机器人产品发展速度加快，年增长率平均在10%左右。据联合国颁布的最新调查显示，2000年世界机器人工业增长率达到15%左右，一年增加了近10万台机器人，使世界机器人总拥有量达到75万台以上，世界机器人市场呈现出日益兴旺的大好态势，目前为止，工作在世界各领域的工业机器人将突破百万台。 1.4机械手的发展趋势

机械手在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛兴趣。在新的世纪，机械手行业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。从近年世界机械手产品看，未来机械手具有如下的发展趋势： 1．重复高精度

精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重

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复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，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的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。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，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能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。 3．节能化

为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。 4．机电一体化

由“可编程控制器—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”；节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。

国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手

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指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。 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，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，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。

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第2章 机械手的总体整体设计方案

2.1设计任务书 2.1.1设计的目标

使机械手能够在一定范围内某一位置W1抓取物体，并在另一任意位置W2放下该物体。 2.1.2技术要求

名称 结构形式 自由度数 躯干旋转 大臂转动 小臂转动 手腕上下摆动 手腕左右旋转 总体定位精度 手爪最大张开距离 手爪加紧方式 技术参数 关节式 6 0°～360° -180°～+180° -90°～+90° -90°～+90° 0°～360° ±2mm 100mm 旋转变直线运动

2.2机械手总体设计中总体方案的论证 1.确定负载

目前，国内外使用的机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在5N以下，最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数手爪最大张开距离为100mm，可初估本次设计机械手属于小型机械手。 2.工作范围

机械手的工作范围是根据其作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。 3.驱动方式

由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动

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4.传动系统设计

机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。机械手常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，故本次设计选用齿轮传动。 5.运动速度

在机械手手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（°）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。 2.3 机械手机械传动原理

本课题设计的是一种小型机械手。该机器人为平面多关节型，具有六个自由度。采用伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装壳体与轴的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量。

为了保证较高的传动精度和较好的加工工艺性，其传动均采用齿轮传动。

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2.4整体方案设计 2.41初拟设计方案

如图2-1所示，为初拟机械手结构简图

图2-1 机械手结构简图

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2.42 最终设计效果图

如图2-2所示，为多自由度机械手虚拟样机最终效果图。

图 2-2 机械手效果图

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2.43 机械手各关节结构图

1.手爪

1-轴F1 2-平键 3-蜗轮 4-联轴器 5-电机支架 6-电机 7-挡板J3 8-齿条J1 9-夹具JZ 10-齿轮Z17M1.5 11-夹具JY 12-支架J2 13-手腕F1 14-端盖ET 15-轴承6202 16-蜗杆 17 手腕F2

图2-3机械手手爪结构图

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2.手腕

1- 手腕E2 2-轴E1 3-轴承6202 4-平键 5-蜗轮 6-轴套ET1 7-电机支架 8-电机 9-联轴器 10-手腕E1 11-蜗杆 12-端盖ET

图2-4 机械手手腕结构图

3．小臂

1-小臂D2 2-轴承6202 3-轴套D1T1 4-连接臂D-E1 5-轴套D1T2 6-连接臂D-E2 7-端盖ET 8-蜗杆 9-蜗轮 10-小臂D1 11-联轴器 12-电机支架 13-电机

图2-5 机械手小臂结构图

4.大臂

1-电机 2-电机支架 3-大臂C2 4-轴承6202 5-轴套C1T2 6-连接臂C-D 7-轴套C1T1 8-轴C1 9-齿轮Z128M1 10-大臂C1 11-轴C2 12-齿轮Z100M1 13-齿轮Z20M1

14-轴套C2T 15-联轴器 图2-6 机械手大臂结构图

5．底座

1-底座B2 2-电机 3-电磁制动阀 4-联轴器 5-轴套A1T2 6-轴承6200 7-轴套A0T 8-轴A0 9-齿轮Z105M0.5 10-齿轮Z35M0.5 11-齿轮Z33M0.8 12-轴A1 13-轴承6200 14-底座B1 15-轴套A1T1 16-轴承6202 17-轴套A2T1 18-轴A2 19-齿轮Z132M0.8 20-轴承6204 21-轴A3 22-齿轮Z128M1 23-轴套A3T

24-轴套A2T2 25-齿轮Z32M1

图2-7机械手底座B（大臂传动）结构图

1-底座AX 2-齿轮Z132M0.8 3-齿轮Z32M1 4-轴A2 5-轴套A2T2 6-轴承6202 7-轴套A3T 8-轴承6204 9-轴A3 10-齿轮Z128M1 11-齿轮Z33M0.8 12-轴MA 13-轴套A0T 14-轴套A2T1 15-底座AG 16-底座AS 17-底座BB 18-电机

19-联轴器 20-电机支架 图2-8机械手底座A结构图

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第3章 结构设计与计算

3.1机械结构的部分计算

机械手大臂传动原理如下图所示

图3-1 机械手大臂传动结构简图

图3-2 机械手大臂传动最终效果图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wv22.html