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机械手设计
摘要
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
本文设计了一个机械手行走小车，以完成行走，抓取，翻转等功能，对应分别要有行走机构，抓取机构，提升机构，翻转机构等来实现。
该小车是由步进电机驱动，由各特征点运动的合成形成小车的各种运动。
整个小车的机械设计是以所学机构方面的理论知识为理论基础的，参考小车的组成机构，同事兼顾使用场合的环境，以“模块化”的设计思想完成了几个运动模块的设计。
关键词：
机械手智能运动模块
目录
引言
0.1机械手简介……………………………………………………………1
0.2机械手的组成…………………………………………………………3
0.3应用机械手的意义……………………………………………………5
第一章总体技术方案及系统组成
1.1原始数据………………………………………………………………7
1.2工作要求………………………………………………………………7
1.3系统组成………………………………………………………………8
1.4总体技术方案…………………………………………………………8
第二章机械手的液压部分
2.1液压系统的工作原理…………………………………………………10
2.2液压传动的工作特征…………………………………………………10
2.3液压系统的组成………………………………………………………10
2.4液压系统的优、缺点…………………………………………………11
第三章回转装置的总体组成及结构设计
3.1回转装置的组成………………………………………………………13
第四章机械传动方案的设计与计算
4.1小车的主要组成部分…………………………………………………15
4.2同步带传动方式优缺点………………………………………………15
4.3驱动动力源……………………………………………………………15
4.4机械传动方案的设计计算……………………………………………16
第五章零件加工编程
5．1数控车床加工程序编制基础…………………………………………22
5．2程序编制………………………………………………………………23
设计小结……………………………………………………………………30
谢辞……………………………………………………………………………31
参考文献……………………………………………………………………32
引言
机械手首先是从美国开始研制的。
1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。
它的结构是：
机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。
不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。
机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。
因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。
工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。
工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。
它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。
机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。
在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。
机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。
机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。
0.1机械手简介
0.1.1机械手的分类
机械手一般分为三类：
第一类是不需要人工操作的通用机械手。
它是一种独立的不附属于某一主机的装置。
它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。
它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。
第二类是需要人工才做的，称为操作机。
它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。
工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。
第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。
这种机械手在国外称为“MechanicalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
0.1.2机械手的应用简况
现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。
化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。
但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。
因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。
有资料统计：
美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。
随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。
机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。
国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。
国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。
并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。
采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。
0.1.3机械手的发展趋势
目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。
在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。
将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。
既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。
同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。
此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。
目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。
此外，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（即距离传感器）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。
0.2机械手的组成
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。
其组成及相互关系如下图：
1、执行机构（如图0-1所示）
图0-1
1）手部
手部安装在手臂的前端。
手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。
本课所指的机械手仅需开闭手指。
机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。
手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。
可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。
本课所做的机械手采用二指形状。
2）手臂
手臂有无关节和有关节手臂之分
本课所做的机械手的手臂采用无关节臂
手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。
为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。
本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。
总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。
躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。
2、驱动机构
驱动机构主要有四种：
液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。
其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。
液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。
它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。
液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。
缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。
一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。
它的优点是气源方便，维护简单，成本低。
缺点是出力小，体积大。
由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。
电气驱动采用的不多。
现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。
通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。
电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。
驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。
机械驱动只用于固定的场合。
一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。
它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。
本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。
采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。
3、控制系统
机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。
它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。
0.3应用机械手的意义
随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。
在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。
其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。
在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：
一、以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。
二、以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。
因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。
第一章总体技术方案及系统组成
1.1原始数据
负载重量：
10kg
重复定位精度：
±1mm
自由度：
3（Z的移动，R轴的平动，θ轴的转动）
Z：
大臂的升降
R：
大臂的伸缩
θ：
腰轴
各轴最大运动速度：
Z轴上下：
200mm/s
θ轴回转：
30°/s
R轴伸缩：
200mm/s
各轴最大运动范围：
Z轴上下：
550mm
θ轴回转：
90°
R轴伸缩：
400mm
1.2工作要求：
机械手的工艺流程：
机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进（小车）→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退（小车）→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位
机构简图
1.3系统组成
本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。
其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。
1.4总体技术方案
毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。
现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。
“机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。
这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。
滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。
丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。
滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：
1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杠副的3-4倍。
2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。
启动时无冲击，低速时无爬行。
3）能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。
同时增加的摩擦力矩相对不大。
4）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。
寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上.
5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。
6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。
可以得到较好的同步运动。
7）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。
8）不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。
9）经济性差，成本高由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以mm计。
经过计算，选择如下：
电动机型号：
Y802-2
功率：
1.1W
丝杠型号：
Tr40×7
1.4.1动作分析
工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。
机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。
1.4.2手部
手部：
包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。
其工作原理：
物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。
1）手臂的前后伸缩部分
手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。
当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。
2）手臂的上下升降部分
手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。
当电动机工作时，通过联轴器转动丝杆，由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能作上下运动。
3）腰转部分
腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。
当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动，
4）行走机构
行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成。
当电动机工作时，通过齿轮、带轮的传动，带动小车的轮子转动，从而实现行走。
第二章机械手的液压部分
“机、电、液”中的“液”即指液压系统。
液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。
人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。
由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。
2.1液压系统的工作原理
所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。
液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：
油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。
液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。
液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。
2.2液压传动的工作特性
液压系统工作是，外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。
因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。
负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。
另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。
流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。
流量为零，系统的速度亦为零。
液压系统的压力和外在负载，，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。
2.3液压系统的组成
液压系统由以下五个部分组成：
1）动力元件它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。
液压泵即为动力元件。
2）执行元件它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动部件。
液压缸和液压马达即为执行元件。
3）控制调节元件控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。
4）辅助元件辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。
5）工作介质在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）。
2.4液压系统的优、缺点
液压系统与机械、电力等传动相比。
有以下特点：
1）能方便的进行无级调速，调速范围大。
2）体积小，、重量轻、功率大。
一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。
另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。
3）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。
4）可实现无间隙传动，运动平稳。
5）因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。
6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。
7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。
液压传动的主要缺点：
1）漏由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。
同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。
2）震液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。
3）热在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。
4）液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。
液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。
5）液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。
6）液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。
综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。
它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。
由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。
第三章回转装置的总体组成及结构设计
3.1回转装置的组成
回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。
3.1.1执行件
本设计选用的是回转台与传递件——链轮共用的一个长平键的心轴。
驱动件驱动传递件——链轮传动，链轮通过共用件将回转运动直接传递给与心轴件联接的回转台，并使之旋转。
3.1.2传递件
本课题中机械手要求作间歇往复回转运动，因此，考虑采用回转曲线传动。
回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。
齿轮传动虽然效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护，低精度时噪声大。
由于本课题中机械手回转精度要求不高，因此，不予考虑。
链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比，传动效率较高，在传动相同功率的情况下，结构较为紧凑，链条张紧力小，作用于链轮轴的力也较小，故链传动能够在低速重载的条件下使用。
与齿轮传动相比，链传动制造和安装精度要求较低链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比，传动平稳性较差，工作时有冲击和噪声，磨损后易发生跳齿，传动中有周期性的重载荷和啮合冲击，不适合载荷变化很大和急速反向转动的场合。
带传动是一种应用很广的机械传动，虽然结构简单，制作成本低，传动平稳，无需润滑，制造和安装精度要求不高，噪声小，能缓冲吸震，有过载保护作用。
同步带传动是一种啮合型带传动。
它具有齿轮传动和摩擦带传动的特点。
还具有传递功率大，传动比准确等特点。
故多用于要求传动平稳，传动精度较高的场合。
因此回转装置中的运动传递本设计使用同步带传动。
3.1.3驱动件
驱动件主要有四种：
气动驱动、电气驱动、
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