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1、本科毕业设计说明书题目：带水平旋转的三自由度气动机械手的机构设计院（部）：机电工程学院专业：机械工程与自动化班级：姓名:学号：指导教师：完成日期：摘要IIIABSTRACTIV1前言1.1 机械手发展状况11.2 气动技术的优点及发展趋势21.3 现有气动机械手的形式及应用31.4 本设计的意义及目的32本机械手的技术指标和总体方案2.1 本机械手的技术指标-52.2 机械手的总体结构设计-62.2.1 机械手结构方案设计62.2.2 机械手的驱动方案设计72.2.3 机械手的控制系统设计72.3 小结73机械手手爪的设计3.1 手爪的种类及设计注意事项83.2 手爪的抓取功能和手指尺寸计算-
2、93.3 夹紧气缸的选用133.4 手爪联接件的设计184机械手手臂的设计4.1 手臂设计要求194.2 机械手手臂的结构设H194.3 升降气缸的选用-224.4 横移气缸的选用244.5 垂直手臂联接件的设计254.6 回转机构的设计-264.7 立柱结构及底座的设计315机械手的气路设计5.1 气压传动的设计要求335.2 气压传动系统的组成335.3 本机械手的气路设计336结论355.4 365.5 献37摘要本课题主要完成了整个三自由度气动机械手的总体机构设计，并对所选用的双支点回转型手指进行了夹持误差分析，使其定位精度在05mm以内；详细地设计了手爪和手臂的机构，使本机械手更具有
3、通用性和经济性；全面地设计了驱动系统的气压回路，增加了本机械手的适应性。本论文设计的三自由度气动机械手可用于包括机械制图测绘周、气动技术、单片机原理及应用、工业机器人等多门课程的多个实验，并在机电综合实验周、机电产品创新设计等课程中体现出了它作为实验设备的优越性。特别是在目前缺少机、电、气综合实验设备的情况下，该机械手作为机、电、气一体的实验设备极大地锻炼了人们应用这些知识解决实际问题的能力，对人们熟练地应用和设计机、电、气一体的自动化生产设备提供了帮助。关键词：气动机械手；三自由度；步进电机；单片机控制StructureDesignofthe3DPneumaticManipu1.atorwi
4、th1.eve1.Revo1.vingABSTRACTInthisartic1.e,wedesignthewho1.emachineryofthreedegreeoffreedomaerodynamicmanipu1.ator.What,smore,c1.amperrorofdoub1.epivotfingerisana1.yzed,andit,sprecisionisin0.5mm.Wedesignthedetai1.structureofpawandarmtomakingthemanipu1.atora1.1.-purposeandeconomica1.Thethreedegreeoffr
5、eedomaerodynamicmanipu1.atorcanbeusedtomanyexperimentformanycourses.Ithasshownit,sadvanceinsomecoursedesign.Nowmanyuniversitiestherearea1.ackofsynthetica1.experimenta1.setup,sothemanipu1.ator,asamechanism-e1.ectrica1.-airsynthetica1.experimenta1.setup,takeapracticechance.Andthemanipu1.atorhe1.pstude
6、ntuseanddesignautomatizationequipment.KeyWords：pneumaticmanipu1.ator；3-degrees；Thestepentersthee1.ectrica1.engineering;MCUcontro1.system1.1 机械手发展状况工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术.并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科一一机械手工程学。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益放为人们所认识：其一、它能部分代替人工操作，其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、
7、时间相位置来完成工件的传送和装卸，其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大地改善了工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐.因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人力物力加以研究和利用.尤其在高温，高压，粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重视。在国外，机械手首先是从美国研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构。控制系统是示教型的。1962年，该公司在上述方案的基础上又试制成一台数
8、控示教再现型机械手。运动系统仿造坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩，用液压驱动，控制系统用磁鼓做存储装置。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫“Verstarao”机械手。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8种机械手试验台，进行各种性能试验。联邦德国制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆用机械手，采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清
9、理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究。苏联自六十年代开始发展应用机械手。至1977年底，其中有一半是国产，一半是进口。主要用于机械化，自动化程度较低，繁重单调，有害于健康的辅助性工作。到1980年底约有3000台工业机械手与ESER计算机配套使用。工业机械手经过几十年的发展，如今已经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、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢
10、工艺等，目前它成为一项综合性较强的新技术。相对于国外的先发、领跑优势,我国机器人制作的研发远远落后于美、日、韩等国。但是，我国已在七五计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟,并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。例如，中科院沈阳自动
11、化所开发和研制成功的水下六千米无缆自治水下机器人，这个机器在水下六千米能够无缆进行作业，这是获得2000年我们国家十大科技成果之一，这个标志着我国在水下机器人已经达到了国际先进水平。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。以期在“十一五”后期立于世界先进行列之中。同时各国的关于机械手学术交流活动十分活跃，不仅交流了机械手设计制造经验,而且还促进了机械手技术的发展和应用网。1.2 气动技术的优点及发展趋势气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴
12、随着微电子技术、通信技术和自动化控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(PneUInatiCS)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneumatics”，其原义为“呼吸”，后来才演变成“气动技术北气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射等优点，广泛应用于汽车制造、电子、工作机械(纺织机械、印刷、包装设备及机床等)、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术已经突破传统的设计、制造理念，正在IC/1.CD
13、、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化小型化、复合化和集成化方向发展。1.3 现有气动机械手的形式及应用随着气动技术获得了快速发展,其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重
14、要实用技术。早期的气动机械手，由于无法做到气缸在任意位置的定位，只能靠气缸两个终点位置来定位。或者采用多位气缸，它的定位长度由气缸的行程预先确定。如果要增加一个定位位置，或者要改变两个定位位置之间的距离，那么需要重新设计一个多位气缸。而且如果气缸要求的停止位置越多，它的滑块导向机构就越复杂。早期的气缸由于不能实现任意位置的定位，因此限制了多工位定位的气动机械手的发展。现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成采集感知信号及控制信号均由智能阀来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部
15、分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展及实用性。由于气动技术和电子技术的结合，以及周边技术的成熟，气动机械手在工业自动化领域里的实用性已经充分体现出来。特别是目前国内外一些学者正尝试在气动机械手中引入现代控制理论和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，这为气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景”丝1.4 本设计的意义及目的机械手是机电一体化技术的典型产品，充分了解机械手的设计及应用对
16、机电专业的学生有很重要意义。机械手所用到的技术在工业自动化生产中占有重要地位，以机械手作为机电方面学习的典型实验设备有其不可替代的优点。但是，就目前的发展情况来看，机械手进入课堂及机电学科相关实验的很少。目前市场上所提供的教学型机械手一般价格在十几万左右，且其不具备开放性，即用户只能在高端应用而无法进行低层次或高层次开发。因此，研制一种低成本开放性的机械手应用于机电教学实验是非常必要的。本文研制的机械手可应用于包括机械制图测绘周、气动技术、单片机原理及应用、ARM原理及应用、DSP原理及应用、P1.C与电气控制、计算机控制技术、工业机器人等多门课程的多个实验，还可应用于机电综合实验周、机电产品创新设计等实践课
