搬运机械手结构设计及运动仿真毕业设计1.1课题背景当前国内机械的应用主要是机床加工，锻造，热处理等方面，不能满足一些产品发展的需要。

国外机械制造过程中，工业机械手应用很广泛，能够帮助人们完成很多产品的上下料过程。

在这种国内外的发展机械手的背景下，我国要加大机械手的研究和应用。

机械手是一种新型的工业自动装置，主要是在机械化、自动化生产过程中发展起来，并且在以后能够有个很好的发展状况。

在现代自动化、机械化生产过程中，机械手是广泛运用于自动生产线中，机械手的研究开发和生产已成为创新科技领域中，快速发展并且长期发展的一个新兴的创新技术。

机械手这个技术的发展，能够使机械手能更好地把机械化、自动化充分的结合起来。

机械手也是有缺点的，不能像手一样的灵活，但它能够模仿人的动作，不间歇的进行长期工作，不用像人工一样考虑一些问题，能够快速工作，提高生产效率。

通过机械手能很大程度上提高劳动生产率，并能够很好的降低成本。

伴随着我国工业化的生产速度加快，机械的自动化要求程度款速提高，实现工件的装卸、转向、输送或者操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已经引起人们的重视[1]。

机械手从结构还有结构形式上看简单，专用性和实用性强，简单的说就是机械的上下料装置，是通过该机床的专用机械手[2]。

工业技术的不断发展，造就了可以通过程序进行控制的机械手，它能够按照程序编写要求，很好的完成显示工作中的重复操作，而且它的使用范围也是相当广泛的，我们也可以称它普通机械手。

因为普通机械手的价格便宜，可操作性比较高，可以运用的方面比较广。

普通机械手如图1-1，图1-2图1-1 工业机械手图1-2 工业机械手1.2研究意义机械手对我们现实生产作业中起到很重要的作用，能解放我们的劳动生产力，提高机械化水平，让我们的工业发展有很大的发展。

根据我国机械手应用与当前的外国机械手的应用进行对比，不难得出的结论就是我们应该大力发展机械手设计这方面的水平。

我们研究机械的意义有一下：首先，应用搬运机机械手有利于实现材料的传送.共建的装卸。

刀具的更换以及机器的装配的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和生产本。

其次，改善劳动条件，避免人身安全。

人手直接操作的范围是受到各方面的制约，比方说温度过高过低，气压高低，液压高低等方面，在这种不适宜人工作的环境下用机械手就可以部分或全部代替人手的功能，从而安全的完成作业。

再就是，采用这种机械手进行工作，使用的人工减少，让我们多余的劳动力来干其他的事情，可以完全提高我们工厂等方面的劳动效率，也对我们人本身就是一个很好的保护，为我们的发展提高一个从人工到机械操作的质的飞越。

1.3国内外研究现状分析简单的说，我们国家机械手的发展水平相对较低。

对于工业性的生产项目没有打达到机械化水平，这就减缓了我们工业的发展速度。

目前国内一些机床加工上下料，锻造，压力高低环境作业等方面都是用这样的工业机械手进行操作，但是其数量，品种，性能等多方面还不能够满足当前国家生产发展的要求，正因如此，国内的工业要像快速发展，突破这种瓶颈，就必须加大对机械范围的研究。

我个人认为重点发展在一些人工操作比较麻烦费时的环境下应用机械手，通过改善这种工作的条件，来提高我我们上产的效率。

我们不光要发展通用机械手，还要多研究制造一些运用于专业机械手，如果资源科技到位还可以研究制造示教式机械手，计算机控制机械手和组合式机械手等。

国内对发展这种机械手新技术非常重视，在这些年来，这项技术的研究和发展一直保持着比较快速的发展势头，这种产品也是在不断的完善和修改，品种和性能也是在不断的增加，运用领域方面也在不断的扩大[9]。

在国外机械制造业中，与国内有着很大的不同，像这种工业机械手运用较多，发展较快，运用的领域也是比较广泛的，也是值得我们进一步学习的。

目前主要用于机床的上下料，还有铸造方面的上下料，以及点焊，喷漆等作业中，它能够很好的在比较恶劣的工作环境下进行工作，但是有些缺点就是，不能对实际情况进行反馈和传感，只是进行机械的重复操作。

如发生像某些偏离时的情况，就会引起一些工件加工的损失和自身机械手的损伤。

正是考虑到这方面的缺点，国外很多的工业都在加快对这种机械手传感反馈方面的研发，让工作更有保证的进行，提高了工作的正确性。

1.4研究的主要内容及方法搬运机械手的机械结构主要包括手部、腕部、臂部及机身。

按照课题要求，搬运机械手采用液压驱动的方式，来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作。

搬运机械手按设计要求主要实现的动过过程为：工序一，臂部液压缸工作，使手臂伸长至指定长度，准备抓取工件。

工序二，手部液压缸工作，使手指夹紧工件。

工序三，机身液压缸工作，使工件升高。

工序四，腕部旋转液压缸工作，使工件旋转︒90。

工序五，机身旋转液压缸工作，实现机身整体旋转︒90。

工序六，手部液压缸工作，手指张开，将工件放置指定位置。

工序七，机械手五个液压缸同时工作，各结构回到初始状态。

工序过程共计4个自由度。

为了实现工序动作，须5个液压缸，分别为：手部液压缸实现夹紧动作；腕部液压缸实现旋转动作；臂部液压缸实现伸缩动作；机身旋转液压缸实现整体转动；机身液压缸实现升降动作。

1、查阅相关资料，了解并学习有关搬运机械手的知识。

2、根据给定的参数，确定搬运机械手的大体设计方案。

3、根据确定的设计方案，分析计算各部分结构的尺寸，并校核。

4、绘制搬运机械手的装配图和零件图。

5、对搬运机械手进行三维建模，并进行仿真。

1.5工业机械手的分类，基本形式及组成1.5.1工业机械手的分类通常工业机械手的样式种类比较多。

对于分类，当前在国内还没有形成统一确切的分类规定，在此可以通过按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

按使用范围可以分为：专用机械手和通用机械手两大类。

前者一般附属于工作机器设备，动作程序固定，驱动系统和控制系统可以独立，亦可附属于工作机器设备。

而后者是独立工作的自动化机械装置。

在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。

按驱动方式可以分为：液压传动机械手、气压传动机械手、电动传动机械手、机械传动机械手。

1.5.2工业机械手的基本形式机械手型式较多，按手臂的坐标型式分类，主要有四种基本型式分别是：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式等[6]。

（1）直角坐标式机械手直角坐标式机械手又称为直移型机械手，是适合于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。

它的手臂可作伸缩、左右和上下移动，按直角坐标型式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。

其工作范围可以是一个直线运动、两个直线运动或三个直线运动。

这种型式的机械手结构简单、运动直观、便于实现高精度，缺点是占据空间大，相应的工作范围较小。

如图1-3图1-3 直角坐标式（2）圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手又称为回转型机械手，是应用最多的一种型式，它适用于搬运和测量工件。

它具有直观性好，结构简单，本体占用的空间较小而动作范围较大等优点。

圆柱坐标式机械手由X、Z、φ三个运动组成。

它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。

圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可在竖直方向上做直线运动和在水平面内做圆弧状的左右摆动。

如图1-4图1-4 圆柱坐标式球坐标式机械手球坐标式机械手又称为俯仰型机械手，是一种自由度较多，用途较广的机械手。

球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动、两个旋转运动以及两个旋转运动加一个直线运动，与回转型机械手相比，在占有同样空间位置的情况下，其工作范围更大，还能将臂伸向地面，完成从地面提取工件的任务。

不足之处是运动直观性差，结构较复杂，位置误差会随臂的伸长而放大。

如图1-5图1-5 球坐标式1.5.3基本组成主要由手部、手腕、手臂和机身的行走机构等运动部件组成[4]。

多关节机械手的优点是：动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的工件，并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作[3]。

随着生产的需要，对多关节手臂的灵活性、定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。

多关节手臂也突破了传统的概念，其关节数量可以从三个到十几个甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根据不同的场合有所变化，多关节手臂的优良性能是单关节机械手所不能比拟的。

其机械手运动示意如图1-6图1-6机械手的运动示意图执行机构主要由手部、手腕、手臂和行走机构等运动部件组成[4]。

（1）手部手部具有人手某种单一的动作功能。

由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。

夹持式手部是由手指和传力机构组成。

手指是直接与物件接触的构件。

常用的手指运动型式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型手指应用较少，其原因是结构比较复杂，但是平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

如图1-7所示图1-7 手指运动形式示意图手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面、V形面和曲面；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。

传力机构形式较多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。

吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。

对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。

造成负压的方式有气流负压和真空泵压。

详情见图1-8所示图1-8 吸附式手部示意图对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。

电磁吸盘的吸力有直流电磁铁和交流电磁铁产生。

用负压磁盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、和吸附力的大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。

此外，根据特殊需要，手部还有勺式（如浇注机械手的浇包部分）、托式（如冷挤齿轮机床上下料机械手的手部）等型式。

（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。

手腕有独立的自由度，能做回转运动、上下摆动、左右摆动。

一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。

如图见1-9所示图1-9 手腕运动和结构示意图目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于270），并且要求严格密封，否则就很难保证稳定的输出扭矩。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。