一种吸盘式搬运机械手的设计与研究分析.docx
《一种吸盘式搬运机械手的设计与研究分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种吸盘式搬运机械手的设计与研究分析.docx（85页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
本科毕业设计
一种吸盘式搬运机械手的设计与研究
学院
机械工程学院
专业
机械设计制造及其自动化
学号
学生姓名
指导教师
提交日期
诚 信 承诺书
本人郑重承诺和声明:
我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术标准,此毕业设计中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。
毕业设计作者签名：
年 月 日
摘要
根据工厂的实际环境和自动化设备的布局，设计了六个自由度的关节型吸盘式搬运机械手，它根本能够到达空间的任意位置，实现物品的准确转移。
通过查阅相关资料，结合各方面的因素，确定了机械手的总体设计方案，通过相关的技术参数的查阅，确定了手臂、吸盘等参数的标准化。
在此根底上通过采样、分析、计算、校验，确定了各部件的结构尺寸，以及电机、减速器规格的选择。
通过solidworks软件，根据相关尺寸的大小，绘制出机械手的三维实体模型，并且绘制出相应的工程图。
对吸盘机械手进行运动学分析及手臂的位移、速度、加速度等运动仿真，模拟出机械手的运动轨迹，绘制出机械手的运动参数曲线图，并能够实现物品迅速准确转移到目的地的动作。
关键词：
吸盘式关节型机械手；机器臂结构分析；结构设计；三维设计；运动学仿真
1
ASTRACT
Accordingtothelayoutoftheactualplantenvironmentandautomationequipment,thedesignofthesixdegreesoffreedomarticulatedsuctioncuptypemanipulator,whichcanbasicallyarriveatarbitrarylocationinspace,torealizetheaccuratetransfer.Throughaccesstorelevantinformation,combinedwithvariousaspectsoffactors,todeterminetheoveralldesignschemeofthemanipulator,throughaccesstorelevanttechnicalparameterstodeterminethearm,standardizationofdiskparameters.Onthisbasis,throughsampling,analysis,calculationandvalidation,todeterminethestructuresizeofeachcomponent,andthemotor,decelerationdevicespecification.
BySolidWorkssoftware,accordingtothesizerelatedtothesizeofthedrawthethree-dimensionalentitymodelofthemanipulator,anddrawthecorrespondingengineeringdrawings.Themanipulatorsuckerforkinematicsanalysisandarmofthedisplacement,velocityandaccelerationofmotionsimulation.Simulationofthetrajectoryofthemanipulatordrawmanipulatormotionofparametriccurves,andcanrealizethegoodsquicklyandaccuratelytransferredtothedestinationoftheaction.
Keywords:
Articulatedmanipulator；Robotarmstructureanalysis；Structuredesign；Three-dimensionaldesign;Kinematicssimulation
目录
1绪论 1
引言 1
关节机械手研究概况 2
国外研究现状 2
国内研究现状 2
关节机械手的总体结构 3
主要内容 4
本章小结 5
2总体方案设计 6
机械手工程概述 6
工业机械手总体设计方案论述 6
机械械传动原理 7
机械手总体方案设计 8
本章小结 9
3机械手大臂部结构设计 10
大臂部结构设计的根本要求 10
大臂部结构设计 10
大臂电机及减速器选型 10
减速器参数的计算 11
承载能力的计算 15
柔轮齿面的接触强度的计算 15
柔轮疲劳强度的计算 16
本章小结 20
4小臂结构设计 21
腕部设计 21
手腕偏转驱动计算 21
手腕俯仰驱动计算 32
电动机的选择 32
小臂部结构设计 34
小臂电机及减速器选型 34
传动结构形式的选择 35
几何参数的计算 35
凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 36
柔轮齿面的接触强度的计算 37
柔轮疲劳强度的计算 37
轴结构尺寸设计 38
轴的受力分析及计算 39
轴承的寿命校核 40
本章小结 42
5机身设计 43
步进电机选择 43
计算输出轴的转矩 43
确定各轴传动比 45
传动装置的运动和动力参数 45
齿轮设计与计算 48
高速级齿轮设计与计算 48
低速级齿轮设计与计算 52
轴的设计与计算 55
输入轴的设计与计算 55
中间轴的设计与计算 58
输出轴的设计与计算 61
轴承的校核 63
输入轴上轴承寿命计算 63
中间轴上轴承寿命计算 64
输出轴上轴承寿命计算 65
键的选择和校核 67
键的选择 67
键的校核 67
机身结构的设计 68
机身箱体材料的选择 68
机身的结构设计及制造工艺 68
本章小结 68
6基于solidworks的吸盘式机械手的三维设计与装配仿真 69
基于solidworks三维建模的介绍 69
主要零件的三维实体模型的创立及装配 69
基于solidworks运动学仿真局部的操作步骤及仿真结果 72
本章小结 74
总结与展望 76
致谢 77
参考文献 78
73
1绪论
1绪论
1.1引言
机器人，典型的机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究的一个热点领域。
在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大的应用和推广，它具有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且具有广阔的市场和开展空间。
1959年，世界上第一台工业机器人的诞生，机器人开辟了新的开展时代。
多关节机器人科学技术的飞速开展，研究和应用的开展。
世界著名的机器人专家，加藤一郎教授，在早稻田大学说：
“一个机器人最大的特点，你有需要它的功能〞无论是自动化道路脚下程度有多高，这都是复杂的动态系统。
伟大的创造家托马斯·爱迪生曾说过这样一句话：
“机器人，对环境是有益的。
〞它有很好的适应性，它具有非常较高的环境要求。
可以翻开无限广阔的前景，有必要扩大机器人的应用领域。
以下主要是设计机械手的原因和目的：
代替了人类劳动，解放了人的双手，提高了生产率，而且它们是开发的一种系统，以便它可以在许多结构性和非结构性相配合，更重要的是，使用这些功能，像人性化的效劳，需要内在的人性化、系统化。
在这方面的研究，可以扩大研究机器人的方向和研究机器人的市场，机器人，如智能机器人，可以起到人工智能和效劳人类的重要作用。
关节机器人，世界上没有统一的分类，定义是不一样的。
对于近期标准化的联合国国际组织已经通过美国协会的定义为关节机械手的机械人：
多关节机器人，搬运为主料，转移为目的，为了各种工作完成，通过改变动作程序，还需要再编程的多功能操作装置。
外国定义与我们的关节型机器人有不同的参考定义。
多关节型机器人，独立的主体可以放在任何地方，动作的自由度，程序可以灵活地改变，高度自动化机器人。
它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。
关节型机器人的臂与主体，相对于人，可以携带重物，可以有一个较快的移动速度，有非常高的定位精度，它是自动的，可以执行各种操作，它可以是一个外部信号执行单元。
多关节型机器人是在计算机控制下的可编程自动化的机器。
能够提高产品的质量和劳动生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化的，在通过改良，改善工作条件下，它是降低了劳动强度的有效手段。
机器人诞生和开展，虽然只有30多年的历史，但是在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大的生命力，未来的开展不可估量，需要我们进一步努力，开创美好的未来。
1.2关节机械手研究概况
1.2.1国外研究现状
人类和动物的运动原理的第一个系统研究使迈布里奇创造了照相机跟单，即设定的触发相机，并在1877年他成功地验证了他的假定。
后来，使用这种方法的相机是用来研究人体运动Demeny。
从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦也深入研究，从人类和动物动力机制的角度看，并提出的理论非常形象化的描述人类和动物的运动机制。
真正研究机构运动的大多是全面研究，系统于1960年推出至今，比拟完整的理论体系的形成，并在一些国家，如日本，美国和苏联已成功开发，可以是静态或动态的多臂枢轴原型得到开展。
在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型的控制方法这是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。
这三种控制的方法对所有类型的搬运机械手都是适用的。
国家控制是在1961年提出的模型的参考，于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇正式提出，该算法是由著名的南斯拉夫研究所米哈伊尔•罗多搬运运动学专家鲍宾Vukobratovic博士在1969-1972年的教堂中提出。
这三种类型的控制方法和他们之间的存在内在关系。
有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法得到了证实和应用。
在搜索步态中，苏联Bessonov和Umnov定义“最正确步态〞，Kugushev和美国Jaro-shevskij定义自由的步伐。
这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多和腿多的机器人。
在这些中，对于自由路径的步骤，有他的的条件和规那么。
如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。
稳定性研究手臂动作的多搬运，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转〔倒立摆〕，它可以被解释为在换能器存在的问题中为了向前运动。
此外，为了减少考虑，Hemami在研究手臂运动的多搬运“减少型〞问题上进行了复杂性研究。
此前我们指出了系统的Vukobratovic还能进行能量分析，但它的力量是有限的，搬运随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题。
但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，人型系统所消耗的功率就越少。
随着社会的开展，需求的增加，和实际问题的待解决，国外相继研究出各种机器人，并且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地开展。
1.2.2国内研究现状
国内目前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂机器人的共同研究和应用下。
1986年，国家启动了“规划纲要〞的研究多动搬运臂，中国的高科技“863〞研究工程中的水平运动臂产生于1987年。
目前也在积极研发，中国移动手臂的研究和开发主要与高校和科研院所合作。
由于我国机器人产业还很薄弱，机器人研究仍然任重而道远。
我国市场上机器人总共拥有量近万台，仅占全球总量的0.56%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占30%，其余皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。
究其原因，很大程度在于自主品牌不够，开展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，由于机器人是最典型的机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进装备制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会开展起着越来越重要的作用。
国外专家预测，机器人产业是继汽车．计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。
随着我国企业自动化水平的不断提高、人民生活需求水平的提高，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，目前中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术的开发。
我国机器人市场竞争越来越剧烈，中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战，加快机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个机遇的时机。
目前，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带开工业化、用高新技术改造传统产业已成为中国制造工业开展的必由之路。
我国要大力开展制造业，必须科技创新，与时俱进，开创美好的未来，未来机器人的开展是不可估量的，具有非常好的广阔前景。
这次研究的吸盘式搬运机械手主要由类似人的手和臂组成，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身平安，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
1.3关节机械手的总体结构
关节机械手的组成及各局部关系概述如下图：
1.3机械手的组成和相互关系
它主要由机械系统〔执行系统，牵引系统〕，探测系统和智能控制系统组成。
1.执行系统：
共用局部的执行系统部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。
A.末端执行用于执行，并且配置的零件直接用于执行动作。
B.手腕，手和臂的连接，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。
的手匹配，手腕支撑身体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化可以满足多个搬运，基座里电动机可以提供动力传输。
D：
机身，多铰接臂，支撑辊，由臂部件支承，并具有使臂转动，起重或倾斜运动的特性。
2.驱动系统：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动，用作机械传动，
3.控制系统：
驱动控制系统，根据该系统的工作，可以把故障报警或错误的信号通过显示器显示出来，并能及时作出反响控制机器正常运行。
4.检测系统：
经由各种传感装置，控制运动检测装置，反响给系统，保证运动无误，
实践证明，该关节机器人可以取代繁重的体力劳动，可以显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平，也可以提高我们工业化水平，并且符合我们国家“工业〞的政策。
1.4主要内容
第1章绪论主要介绍机械手的相关知识和本课题研究的任务和要求.
第2章总体方案设计,介绍该机械手各局部的相关知识和总体设计.
第3章机械手各局部设计的介绍
第4章机械手结构设计
第5章机身合理参数的选择
第6章基solidworks进行三维模型设计及运动分析与装配仿真
1.5本章小结
介绍了国内外机器人的开展史，阐述了关节机器人的总体结构。
随时代进步各国展开研究机器人的浪潮，比方德国工业4.0，我国随后也提出了符合我国国情的“〞的政策。
2总体方案设计
2总体方案设计
2.1机械手工程概述
它是一个技术集成的学科，涉及计算机技术和自动化技术等领域，在机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域有了开展。
手臂多搬运运动的设计，例如系统工程，应作为一个综合的方法来设计系统，共同致力于系统的研发和创新。
一个复杂机械系统，可结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。
系统必须具有以下特征：
的机械系统由几个子系统并且具有不同的整体性能的特定功能。
要有机联系，不可独立。
3.每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，把系统的各个子系统结合起来。
4.系统对环境的适应在某些情况下，我们必须能够适应外部环境中的变化。
所以，在设计机器人时，不仅要注重搬运机器人系统的整个部件设计，还要考虑到单个部件的设计，要把他们紧密联系起来。
2.2工业机械手总体设计方案论述
〔一〕确定负载
目前，国内工业多用运动搬运臂，负载能力最小额定负载5N或更小范围，最多的为9000N。
这次设计的机械手为5公斤负荷。
负载的大小主要取决于运动的作用力和机械接口上多搬运臂的运动方向。
下臂应该包括端部执行器，根据相关参数和计算得出，这是一个小负荷的机械手。
〔二〕驱动系统
由于伺服电机具有良好的控制性能，具有灵活性好，体积小，效率高，适用于运动控制没有影响的精确控制小臂运动的机器人，因此，我采用了伺服电机。
〔三〕传动系统
臂传递机构的机械运动通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，齿轮和谐波传动等作为传动载体，由于齿轮传动具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，因此选用齿轮传动。
〔四〕工作范围
操作过程中的工业手臂动作的工作范围是与工作空间的大小相关，其每个臂的自由操纵器公共轴线的长度和所传动轴的相适应。
〔五〕运动速度
每个铰接机械臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒〔m/s〕的，每个运动时间分配考虑到许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。
操作时间的分配也必须考虑惯性的大小以及驱动控制，定位和精度要求。
2.3机械械传动原理
该方案结构设计与分析
该关节机械手的本体结构组成如下图：
图2.1关节机械手本体组成
1-底座2-大臂3-小臂4-手腕5-吸盘6-工件
所描述的为以下方式的组件和功能:
根本单位：
基座构件包括底座，齿轮传动件，轴承，步进马达。
根本作用是支持构件，所述支承构件旋转臂，能够承受的工作负载，所述臂必须具有足够的强度，刚度和负荷能力。
此外，该臂也需要一个足够大的安装根底，以确保在工作场所搬运机器人的稳定运行。
搬运机器人臂，通常会导致驱动臂运动〔例如，液压，气动或一个马达〕和一个驱动源〔例如，燃料箱，燃料箱，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构或凸轮机构等各种运动臂组成的组件〕。
手臂分为大臂和小臂。
组成如下：
动臂、齿轮件，驱动电机。
在臂构件中：
臂，驱动轴，皮带等，固定到步进电动机的一端。
腕局部：
包含壳体，传动齿轮和轴，和所需机械接口。
2.4机械手总体方案设计
它是机器人形结构，并调整圆柱形结构，球面坐标的结构，该多接头结构和它们的相应特征中的每一个一致，如下所述。
1.直角坐标结构
运动空间直角坐标机器人，它是落实到闭环位置控制的线性运动，由如图2-1所示，直角坐标机器人可以到达非常高的位置，实现各有三个其他存在的垂直的直线运动精度。
然而，直角坐标机器人相对于其他机器人的结构，还算比拟小的。
因此，为了实现恒定的空间运动，必须调整好其内部架结构。
直角坐标机器人的工作区是矩形空间。
直角坐标机器人主要用于组装和搬运，直角坐标机器人它具有悬臂门，起重机等类型的结构。
如在图2-1〔b〕中，如下图，调整直线运动并实现旋转运动。
这种机器人的结构相对简单，并且能够在一般精度操作中使用。
它的工作空间是圆柱形的空间。
如图2-1〔c〕中，该空间的运动是球形坐标机器人的运动，实现两个旋转运动的。
这个简单的机器人结构，本钱低，精度不高。
但他们的工作空间是球形的空间。
4.搬运型结构
如图2-1〔d〕所示，为了实现一个空间移动搬运机器人包括三个旋转运动。
搬运机器人的运动是灵活，结构紧凑，占地面积小的运动方式。
这种机械手是广泛焊接，涂装，搬运，组装，它是在工业中使用。
搬运型机械手结构，有水平搬运型和垂直搬运型两种。
（a）直角坐标型（b）圆柱坐标型（c）球坐标型（d）关节型
图2-2四种机械手坐标形式
根据任务书和具体要求，我选择了关节型〔d〕。
机器人的工作范围是很大的，并且运动灵活，通用性好，结构更紧凑，其特征如下：
用途：
物料搬运
自由度数目：
6〔腰部回转、大臂转动、小臂转动、小臂回转、腕部摆动、腕部回转〕
坐标形式：
垂直关节坐标型
额定负荷质量〔不含末端执行器〕：
10kg（15kg）
最大工作半径1450mm〔1500〕
手臂最大中心高1200mm〔1000〕
本体自重小于160kg〔200〕
表2-1各关节回转范围和最大工作转速
最大工作范围〔º〕
工作转速
r/min
rad/s
º/s
腰部回转关节
±150〔300〕
10
60
大臂转动关节
±110〔150〕
10
60
小臂转动关节
+170，-150〔±180〕
10
60
小臂回转关节
±180〔360〕
20
120
腕部摆动关节
±130〔120〕
20
120
腕部回转关节
±360
30
180
2.5本章小结
为了确定解决方案，提出多种方案并验证后，确定了机器人系统的各个部件，包括：
机器人机身、大臂、小臂、手腕、和端部的执行器，并做了详细的分析和设计。
3机械手大臂部结构设计
3机械手大臂部结构设计
3.1大臂部结构设计的根本要求
臂部件的主要作用是联接着手，带着他们腾出运动。
我这次设计成一般臂的根本要求如下。
1.手臂，要刚度好，重量轻
2.在臂的速度高时，也有小的惯性
为了减小转动惯量，必须采取以下措施。
〔A〕降低臂的重量通过使用铝等轻质高强度材料。
〔B〕减少手臂运动部件的总体尺寸
〔C〕减少转弯半径
〔D〕驱动系统中设有缓冲装置
3.运动的臂是灵活的。
为了运动平稳，运动臂部件之间的摩擦力尽可能减小。
4.位置精度要高。
为了减少电机负载的底部接头，减少了臂的重量，以确保它能够提高机器人手臂的动态响应，一方面，采用薄铝合金构件设计。
二是采用砂型铸造设计，“最小厚度可以是〞浇铸，取决于不同类型的尺寸和合金铸件，具体见表3-1所示：
表3-1砂型铸造铸件最小壁厚〔mm〕
铸件尺寸
铸钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铝合金
铜合金
＜200×200
5~8
3~5
4~6
3~5
3~5
200×200~500×500
10~12
4~10
8~12
6~8
4~6
6~8
＞500×500
15~20
10~15
12~20
---
---
---
它是简单地砂铸造结构设计，铸造结构对应于每个不同的铸件应根据各个特性来设计。
在这次设计中，使用铸铝外壳手臂。
具体尺寸
升级会员 