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設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
二00五年九月
目錄
一、目錄………………………………………………………………………………………………………2
二、前言………………………………………………………………………………………………………3
（一）機(jī)械手的用途說(shuō)明…………………………………………………………………………3
（二）設(shè)計(jì)機(jī)械手的目的、意義………………………………………………………………3
（三）設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求…………………………………………4
三、設(shè)計(jì)方案論證………………………………………………………………………………………5
（一）機(jī)械手的原始依據(jù)…………………………………………………………………………5
（二）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案論證…………………………………………………………………6
四、機(jī)械手各組成部件設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………………8
（一）抓取機(jī)械設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………8
（二）手腕機(jī)構(gòu)…………………………………………………………………………………………12
（三）手臂設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………………14
（四）緩沖裝置設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………22
（五）定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………25
（六）機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………25
五、機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………25
六、設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………………………26
七、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………27
二、 前言
（一）機(jī)械手的用途說(shuō)明
機(jī)械手是模仿人手工作的機(jī)械設(shè)備。實(shí)驗(yàn)用機(jī)械手的設(shè)計(jì)，是指機(jī)械手臂在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)，手臂的垂直方向的上下移動(dòng)及手爪的伸縮運(yùn)動(dòng)組成。由啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。它的主要作用是將工件按預(yù)定的程序自動(dòng)地搬運(yùn)到需要的位置，或者保持工具進(jìn)行工作。機(jī)械手是利用PLC控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化控制，且能用于教學(xué)演示。
（二）機(jī)械手的目的、意義
機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動(dòng)條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
目的是，我們對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)步驟有一定的平衡了解；也能基本掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的方法；綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)；全面復(fù)習(xí)繪圖技巧，并較好的運(yùn)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)繪圖上。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我了解到，自動(dòng)控制的對(duì)象主要是單機(jī)或某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，智能控制則包括控制對(duì)象及整個(gè)工作環(huán)境或整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；自動(dòng)控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個(gè)狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，智能控制關(guān)心的使最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。因此，要充分考慮環(huán)境的影響；自動(dòng)控制的學(xué)習(xí)來(lái)源重要是對(duì)象的狀態(tài)的反饋，所以智能控制需要一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)；自動(dòng)控制理論著重描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后，通過(guò)各種控制算法進(jìn)行控制，以達(dá)到目的，智能控制著重直接控制經(jīng)驗(yàn)。
（三）設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：設(shè)計(jì)為三自由度的機(jī)械手臂，運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，可以把手臂設(shè)計(jì)成為沿導(dǎo)向裝置運(yùn)動(dòng)，直接選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的液壓缸和內(nèi)脹式機(jī)械手爪，無(wú)須另行設(shè)計(jì)。
外觀不要有手臂堵塞外形：設(shè)計(jì)盡量要求安裝方便，各非標(biāo)準(zhǔn)件加工方便。因此，不必設(shè)計(jì)成套形式，管道也不必安排在手臂內(nèi)部，可以采用軟管直接連接。
本次設(shè)計(jì)的手臂不要光用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，對(duì)各部件的加工精度及安裝要求不高，可以在通用機(jī)床上加工完成。
三、設(shè)計(jì)方案論證
（一）機(jī)械手設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)
1.組成結(jié)構(gòu)
機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置檢測(cè)等裝置組成。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖：
控制系統(tǒng) → 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) → 執(zhí)行系統(tǒng) → 抓取工件
‖ —— 位置檢測(cè) —— ‖
2.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
（1） 手部：即與物體接觸的部件，由物體接觸的形式又可分為夾持式和吸附式手部。
（2） 手腕：是連接手腕和手臂的比肩，起改變工件的空間位置的作用。
（3） 手臂：支撐手腕和手臂的部件以改變工件的空間位置。
（4） 立柱：支撐手臂的部件，手臂的各部分運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的關(guān)系。
（5） 行走機(jī)構(gòu)：為完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。
（6） 機(jī)座：它是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部分和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝在機(jī)座上，起支撐和聯(lián)結(jié)作用。
3.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的出動(dòng)裝置，常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。
4.控制系統(tǒng)
有電力控制和射流控制兩種，一般常見(jiàn)的為電力控制，這是機(jī)械手的重要組成部分，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)，對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行控制，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出警報(bào)信號(hào)。
5.位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)械的運(yùn)動(dòng)位置并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置比較，然后控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)一定的精度達(dá)到預(yù)定位置。
（二）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案論證
1.機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式（坐標(biāo)形式）確定
按機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型可分：直角坐標(biāo)系式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)系式機(jī)械手、極坐標(biāo)式機(jī)械手、關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
直角坐標(biāo)式機(jī)械手：臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦臂部可以前后伸縮，左右移動(dòng)，上下升降。采用此種坐標(biāo)形工作范圍小，占地空間大，定位精度好，應(yīng)用較多，適用于空間布置或與自動(dòng)線配合。
極坐標(biāo)式機(jī)械手：手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X方向運(yùn)動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦手臂可前后伸縮，上下擺動(dòng)，左右移動(dòng)。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用少。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手：這種機(jī)械手的臂部可分為大臂和小臂，其中大臂和小臂的連接以及大臂和機(jī)體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)一定角度，大臂可繞肩部擺動(dòng)一定角度，手臂可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用較小。
圓柱坐標(biāo)戲式機(jī)械手：這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合而成，手臂沿X、Z方向的移動(dòng)，還有手臂的水平回轉(zhuǎn)。此種機(jī)械手工作范圍教大，靈活程度教高，占地面積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，定位進(jìn)度高，應(yīng)用比較廣泛，多為通用型。
因此本次設(shè)計(jì)我選用直角坐標(biāo)系機(jī)械手。
機(jī)械手方案簡(jiǎn)圖如下：
運(yùn)動(dòng)符號(hào)：