江苏城市职业学院毕业设计（论文）（2011 届）设计（论文）题目平面关节型机械手设计办学点（系）张家港办学点（工程系）专业机械设计与制造班级11机械（普）学号110404350532学生姓名邵强指导教师杜微娜职称助教摘要 (3)一、概论 (4)1、机械手的工作原理及设计思想 (4)2、机械手应用及应用中容易出现的误区 (5)3、机械手的发展及发展前景 (6)二、机械手的总体设计 (7)三、手指设计 (9)1、设计时应注意的问题 (10)2、零件的计算 (10)3、手指夹紧力的计算 (11)四、移动关节的设计计算 (12)1、驱动方式的比较 (12)2、汽缸的设计 (13)五、小臂的设计 (14)1、结构的设计 (14)2、轴的设计计算 (15)3、轴承摩擦力矩的计算 (15)4、驱动的选择 (16)六、大臂的设计 (16)1、结构的设计 (17)2、轴的设计计算 (17)3、轴承摩擦力矩的计算 (18)4、伺服系统的选择 (18)七、机身的设计 (17)1、设计时应注意的问题 (17)2、设计的效果说明 (18)结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)平面关节型机械手设计[摘要] 平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。

关键词: 机械手轴承汽缸[Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints andone move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control t he moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the hi gh of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Key words: manipulator axletree cylinder一、机械手概论工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。

它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。

实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。

平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。

在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。

它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。

1、机械手工作原理及设设计思想本文设计的平面关节型机械手，其主要包括三个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。

直流电机的运动控制采用自行开发的基于LM629和PIC16F877构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。

对机械手驱动装置的一般要求如下：（1）、.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率 (即功率/重量比)要高，效率也要高；（2）、反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；（3）、动作平滑，不产生冲击；（4）、控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（5）、安全可靠；（6）、操作和维护方便；（7）、对环境无污染，噪声要小；（8）、经济上合理，尤其是要尽量减少面积。

组成：机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。

（1）执行机构（手部）手部安装在手臂的前端。

手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以传动、伸屈手腕、开闭手指。

机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以一指用得最多。

可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。

所谓没有手指的手部，一般指真空吸盘或磁吸盘。

（2）执行机构（手臂）手臂有无关节手臂和有关节手臂之分。

目前采用的手臂几乎都是无关节手臂。

多关节臂还处在研究阶段。

手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。

为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要确地定位。

2、机械手应用及应用中出现的误区（1）、机械手的应用机械手主要应用于建造旋转体零件,吸轴类、实现单机自动，化方面、铸 ,锻 ,焊,热处理等热加工方面。

第一、建造旋转体零件吸轴类、盘类、环类零件自动线,一般都采用机械手在机床之间传送工件。

国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵、轴承体加工自动线环类、大连电机厂的号和号电机自动线轴类、上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线盘类等。

第二、在实现单机自动化方面，各类半自动机床包括普通机床改造的，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开机能，但仍需人工上下料袋上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。

目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是吨以上冲床用机械手的较多，如上海人民电机厂吨龙门冲床转子片上料机械手，尚未在生产中正式应用，沈阳低压开关厂吨冲床磁力起动器壳体下料机械手，另配有上料机构和天津拖拉机厂吨冲床的下料机械手等。

二是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手，生产线中有两台多工位冲床和天津二轻局技术研究所制作的屯和吨多工位冲床机械手等。

第三、铸、锻、焊、热处理等热加工方面。

机械手在热加工其他方面的应用有：上海跃进电机厂电机轴中频热套机械手，上海汽车配件厂散热器浸锡机械手，长春第一汽车厂吨垂直分模平锻机上下料机械手，大连工矿车辆厂铸件清砂喷丸机械手尚在调试中等等。

总的来说还比较少，有待进一步的发展。

（2）、机械手应用过程中容易出现以下十个误区：1)低估有效载荷和惯量要求2)赋予机械手的任务过重3)低估了电缆管理问题4)在选购机械手系统前，对所有应用因素考虑欠周5)误解精度与重复精度之间的关系6)只根据控制系统来选购机械手系统7)不能接受机械手技术8)忽视机械手附件选项或周边设备的必要性9)低估或高估机械手控制系统的能力10)没有考虑使用机械手技术3、机械手的发展及发展前景（一）、机械手的发展概况在二十世纪四十年代，随着原子能工业的发展己出现了模拟关节式的第一代机械手。

五十——六十年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示数再现型机械手。

这种机械手也称第二代机械手，如尤尼曼特(Unimate)机械手，即属这种类型。

一九六八一一九七O年，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，即使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。

七十年代机械手可以说是处于技术发展阶段。

专用机械手经过几十年的发展，如今己进入以通用机械手为标志的时代。

由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。

智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通用技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。

目前国内外发展这一新技术都很重视。

几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域在不断地扩大。

机械上业中，应用机械手的主要目的：一是解决生产过程自动化，二是改善劳动条件，降低劳动强度，提高劳动生产率和降低成本。

因此要求机械手成本低，品种多样化，零件、部件系列化、通用化、标准化、性能稳定可靠。

对机械手的一般要求：(1)、降低机械手的成本：为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。

(2)、品种多样化：为了适应不同工作需要，应使机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化，特别是那此工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的1_种(如热加工)，更应该注意设计和使用各种类型的机械手。

(3)、零件部件系列化、通用化、标准化：为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造的周期。

这样，就要求机械手的某种零件(如手指的指型等)、部件〔如手部、臂部等)系列化、通用化、标准化。

然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件(或相应地增加一些其它零件部件)进行组合，组成所需要的机械手。

当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利地重新组合。

(4)、产品性能应准确可靠：机械手的重要技术指标之一，就是其性能稳定可靠为此，要求设计合理、元件稳定、制造精确。

（二）机械手的发展前景(1)、研制有更多自由度的机械手。

(2)、研制带有行走机构的机械手。

这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。

(3)、研制能自动编程和自动改变程序的机械手。

研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。

这种机器人，具有各种传感装置，并配有计算机。

这样的智能机器人，可以山人用特殊的语台(计算机语言甚至厂}语)对其下达命令、布置任务。

受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序地进行工作;能够自找(选择)物件的方位，自调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。

因此，它将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。

二、机械手的总体设计本机械手共有6 个关节动作和1 个抓手动作(见图1) ,使用6 台步进电机分别控制6 个关节的动作。

机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕) 、手部4 个部分(见图1) 。

机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3 个旋转关节,以保证达到工作空间的任意位置,手腕中又有3个旋转关节:腕转、腕曲、腕摆,以实现末端操作器的任意空间姿态。