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三轴机械手设计说明书.pdf
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目 录
前 言 ............................................... 2
第 一 章 绪 论 .................................... 3
1.1 引 言 .......................................... 3
1.2 工 业 机 械 手 的 含 义 ............................... 4
1.3 选 题 背 景 与 意 义 ................................. 4
1.4 工 业 机 械 手 的 组 成 ............................... 6
1.5 工 业 机 械 手 的 发 展 及 国 内 外 发 展 趋 势 . .............. 7
第 二 章 三 轴 伺 服 驱 动 机 械 手 结 构 设 计 方 案 .............. 1 2
2.1 机 械 手 的 设 计 方 法 .............................. 1 2
2.1.1 机 械 手 的 选 择 与 分 析 ....................... 1 2
2.1.2 直 角 坐 标 机 械 手 的 设 计 方 法 ................. 1 3
2.2 机 械 手 的 结 构 设 计 .............................. 1 8
2.2.1 机 械 手 的 总 体 设 计 ......................... 1 8
2.2.2 机 械 手 的 传 动 部 件 设 计 ..................... 1 9
2.2.3 机 械 手 的 臂 部 设 计 ......................... 2 0
2.3 三 轴 伺 服 驱 动 机 械 手 机 构 的 特 点 ................ 2 1
第 三 章 工 业 机 械 手 的 运 动 系 统 分 析 ..................... 2 2
3.1 工 业 机 械 手 的 运 动 系 统 分 析 ........................ 2 2
3.1.1 机 械 手 的 运 动 概 述 ......................... 2 2
3.1.2 机 械 手 的 驱 动 方 式 ......................... 2 4
第 四 章 三 轴 伺 服 驱 动 机 械 手 零 件 的 设 计 ................... 3 3
4.1 伺 服 电 机 的 选 择 ................................ 3 3
4.2 减 速 机 的 选 择 .................. 错 误 ! 未 定 义 书 签 。
4.3 齿 轮 齿 条 的 选 择 ................................ 3 5
4.4 导 轨 的 选 择 ................................... 4 3
第 五 章 结 论 ......................................... 4 5
致 谢 ............................. 错 误 ! 未 定 义 书 签 。
参 考 文 献 ......................................... 4 6
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毕业设计说明书
前 言
进 入 21 世 纪 后 ,FANUC 公 司 开 发 成 功 了 配 备 有 视 觉 传 感 器 和
力 觉 传 感 器 的 智 能 机 械 手 。到 现 在 已 拥 有 可 搬 运 质 量 从 2 公 斤 到
1.2 吨 的 种 类 丰 富 的 商 品 系 列 。 随 后 , FANUC 公 司 又 开 发 了 运 用
这 一 智 能 机 械 手 的 长 时 间 连 续 机 械 加 工 系 统 机 械 手 单 元 。 在 整
个 加 工 工 序 中 加 工 作 业 本 身 使 用 数 控 机 床 进 行 自 动 化 加 工 已 经
非 常 普 遍 了 。 但 是 , 附 带 作 业 , 毛 比 如 在 加 工 中 心 的 夹 具 上 进 行
加 工 材 料 装 卸 的 作 业 ,以 及 去 毛 刺 边 ,清 洗 等 作 业 中 的 很 多 部 分 ,
现 在 还 是 依 靠 人 工 来 完 成 。 机 械 手 单 元 使 用 智 能 机 械 手 , 不 但 实
现 了 这 些 作 业 的 自 动 化 , 而 且 在 世 界 上 最 早 实 现 了 。 小 时 的 长 时
间 连 续 加 工 ,现 在 在 FANUC 公 司 的 工 厂 共 运 转 着 13 套 这 样 的 机
械 手 单 元 。 机 械 手 单 元 使 用 了 两 种 控 制 装 置 也 就 是 CNC 和 机 械
手 控 制 器 我 们 现 在 正 在 开 发 使 这 两 种 控 制 装 置 都 可 以 单 独 地 显 示
双 方 状 态 的 功 能 , 以 进 一 步 推 进 机 床 和 机 械 手 的 融 合 。
[ 1 ]
随 着 我 国 工 业 自 动 化 水 平 的 不 断 提 高 ,在 机 械 加 工 与 制 造 领
域 , 以 及 各 种 装 配 与 包 装 自 动 化 生 产 线 上 机 械 手 的 应 用 已 相 当 普
遍 机 械 手 通 常 担 负 着 上 料 下 料 等 加 工 任 务 。 由 于 PLC 顺 序 控 制 具
有 系 统 简 单 可 靠 , 控 制 灵 活 方 便 等 特 点 , 而 且 从 PLC 诞 生 之 日
起 其 最 基 本 最 普 遍 的 应 用 领 域 就 是 在 工 业 环 境 下 的 顺 序 控 制 ,
因 此 , 基 于 PLC 顺 序 控 制 的 机 械 手 在 工 业 自 动 化 领 域 中 得 到 广 泛
的 应 用 。
机 械 手 是 一 种 很 特 别 的 生 产 工 具 ,因 此 ,机 械 手 应 用 的 范 围 十
分 广 泛 。 这 些 应 用 可 以 被 划 分 为 3 类 : 材 料 处 理 、 材 料 搬 运 和 装
配 。 在 材 料 处 理 中 , 机 械 手 用 工 具 来 加 工 和 处 理 原 材 料 。 例 如 ,
机 械 手 工 具 可 包 括 钻 头 , 从 而 可 以 在 原 始 材 料 上 执 行 钻 孔 操 作 。
材 料 搬 运 包 括 装 载 零 件 。这 些 操 作 可 以 由 机 械 手 可 靠 地 重 复 执 行 ,
因 此 提 高 了 质 量 , 减 少 了 废 料 损 失 。 装 配 是 机 械 手 技 术 的 另 一 个
广 泛 应 用 。 自 动 装 配 系 统 能 合 并 自 动 测 试 、 机 械 手 自 动 控 制 和 机
械 处 理 , 以 减 少 劳 动 成 本 , 提 高 产 量 , 消 除 人 工 操 作 的 危 险 性 。
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第 一 章 绪 论
1.1 引言
工 业 机 械 手 是 一 种 提 高 制 造 业 生 产 力 的 工 具 。他 诞 生 于 2 0 世
纪 60 年 代 , 在 20 世 纪 90 年 代 得 到 迅 速 发 展 ,是 最 先 产 业 化 的 机 械
手 技 术 它 可 以 承 担 那 些 对 人 类 可 能 有 危 险 的 工 作 。 它 是 综 合 了 计
算 机 、 控 制 论 、 机 构 学 、 信 息 和 传 感 技 术 、 人 工 智 能 、 仿 生 学 等
多 学 科 而 形 成 的 高 新 技 术 , 是 当 代 研 究 十 分 活 跃 、应 用 日 益 广 泛 的
领 域 。它 的 出 现 是 为 了 适 应 制 造 业 规 模 化 生 产 ,解 决 单 调 、重 复 的
体 力 劳 动 和 提 高 生 产 质 量 而 代 替 人 工 作 业 。 最 早 的 工 业 机 械 手 就
曾 用 来 在 核 能 发 电 厂 中 更 换 核 燃 料 棒 。 工 业 机 械 手 也 能 在 装 配 线
上 工 作 , 如 安 装 印 刷 电 路 板 上 的 电 子 元 器 件 。 这 样 人 们 就 可 以 从
这 种 单 调 的 工 作 中 解 脱 出 来 。 机 械 手 还 能 拆 除 炸 弹 , 为 伤 残 人 服
务 ,为 我 们 的 社 会 做 各 种 各 样 的 工 作 。
[ 7 ]
在 我 国 ,工 业 机 械 手 的 真
正 使 用 到 现 在 已 经 接 近 20 多 年 了 ,已 经 基 本 实 现 了 试 验 、 引 进 到
自 主 开 发 的 转 变 , 促 进 了 我 国 制 造 业 、 勘 探 业 等 行 业 的 发 展 。
机 械 手 作 为 自 动 生 产 线 中 的 重 要 设 备 , 已 成 为 工 业 生 产 自 动
化 的 三 大 支 柱 之 一 , 可 传 统 的 机 械 手 , 采 用 继 电 器 - 控 制 器 控
制 气 压 系 统 , 其 控 制 系 统 复 杂 , 大 量 的 接 线 使 系 统 的 可 靠 性 降 低 ,
设 备 的 工 作 效 率 下 降 , 自 动 化 程 度 不 高 , 安 全 系 数 低 . 因 此 , 利 用
PID 算 法 与 PLC 控 制 技 术 改 造 传 统 的 机 械 手 ,研 制 一 种 智 能 机 械
手 已 成 为 当 今 工 业 生 产 自 动 化 研 究 的 主 流 . 根 据 外 国 资 料 统 计 ,
[8] 在 工 业 控 制 中 80% 都 采 用 PLC. 目 前 国 外 应 用 于 自 动 控 制 这
一 领 域 占 60%, 应 用 于 数 据 管 理 占 20%, 用 于 生 产 管 理 占 18%, 用 于
人 机 接 占 22%. 可 见 , PLC 在 工 业 领 域 已 占 主 导 地 位 . 因 此 , 研 究
机 械 手 的 智 能 控 制 对 工 业 自 动 控 制 有 重 要 意 义 .
[ 9 ]
在 理 论 上 , 随 着 世 界 经 济 和 技 术 发 展 , 人 类 活 动 领 域 的 不 断
扩 大 , 机 械 手 应 有 正 迅 速 向 社 会 生 产 和 生 活 的 各 个 领 域 扩 展 , 也
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从 制 造 领 域 转 向 非 制 造 领 域 , 各 种 各 样 的 机 械 手 产 品 随 之 出 现 。
三 轴 伺 服 机 械 手 的 设 计 , 不 但 在 技 术 上 可 以 追 踪 机 械 手 的 发 展 趋
势 , 而 且 还 可 以 填 补 工 业 机 械 手 的 应 用 的 空 白 , 促 进 我 国 工 业 机
械 手 的 技 术 水 平 的 提 高 和 产 业 化 水 平 的 发 展 。
[ 1 0 ]
本 次 设 计 是 根 据 对 工 业 三 自 由 度 机 械 手 的 总 体 结 构 及 传 动 系
统 的 分 析 和 探 讨 , 进 行 三 自 由 度 工 业 机 械 手 的 结 构 设 计 。 关 键 在
于 三 轴 ( 臂 ) 的 传 动 系 统 的 设 计 以 及 整 体 的 结 构 设 计 。
1.2 工 业 机 械 手 的 含 义
工 业 机 械 手 的 定 义 为 : 一 种 能 够 自 动 定 位 控 制 , 可 重 复 编 程
的 ,多 功 能 的 ,多 自 由 度 的 操 作 机 。工 业 机 械 手 是 集 机 械 、电 子 、
控 制 、 计 算 机 、 传 感 器 、 人 工 智 能 等 多 学 科 先 进 技 术 于 一 体 的 现
代 制 造 业 重 要 的 自 动 化 装 备 。自 从 1962 年 美 国 研 制 出 世 界 上 第 一
台 工 业 机 械 手 以 来 , 机 械 手 技 术 及 其 产 品 发 展 很 快 , 已 成 为 柔 性
制 造 系 统 (FMS) 、 自 动 化 工 厂 (FA) 、 计 算 机 集 成 制 造 系 统 (CIMS)
的 自 动 化 工 具 。
机 械 手 是 一 种 能 模 拟 人 的 手 臂 的 部 分 动 作 ,按 预 定 的 程 序 轨
迹 极 其 它 要 求 , 实 现 抓 取 , 搬 运 工 件 或 操 做 工 具 的 自 动 化 装 置 。
在 我 国 由 于 大 多 数 工 业 机 械 手 所 执 行 的 工 作 为 模 拟 人 的 手 臂 而 工
作 , 因 而 通 常 把 工 业 机 械 手 称 做 操 作 机 械 手 。
智 能 机 械 手 是 机 械 手 的 发 展 方 向 ,它 具 有 智 能 系 统 ,主 要 是
感 觉 装 置 、 视 觉 装 置 和 语 言 识 别 装 置 等 。 具 有 触 觉 、 力 觉 或 简 单
的 视 觉 的 工 业 机 械 手 , 能 在 较 为 复 杂 的 环 境 下 工 作 ; 如 具 有 识 别
功 能 或 更 进 一 步 增 加 自 适 应 、 自 学 习 功 能 , 即 成 为 智 能 型 工 业 机
械 手 。 它 能 按 照 人 给 的 “ 宏 指 令 ” 自 选 或 自 编 程 序 去 适 应 环 境 ,
并 自 动 完 成 更 为 复 杂 的 工 作 。
1.3 选 题 背 景 与 意 义
由 于 工 业 自 动 化 的 全 面 发 展 和 科 学 技 术 的 不 断 提 高 , 对 工 作
效 率 的 提 高 迫 在 眉 睫 。 单 纯 的 手 工 劳 作 已 满 足 不 了 工 业 自 动 化 的
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要 求 ,因 此 ,必 须 利 用 先 进 设 备 生 产 自 动 化 机 械 以 取 代 人 的 劳 动 ,
满 足 工 业 自 动 化 的 需 求 。 其 中 机 械 手 是 其 发 展 过 程 中 的 重 要 产 物
之 一 ,它 不 仅 提 高 了 劳 动 生 产 的 效 率 ,还 能 代 替 人 类 完 成 高 强 度 、
危 险 、重 复 枯 燥 的 工 作 ,减 轻 人 类 劳 动 强 度 ,可 以 说 是 一 举 两 得 。
在 机 械 行 业 中 , 机 械 手 越 来 越 广 泛 的 得 到 应 用 , 它 可 用 于 零 部 件
的 组 装 , 加 工 工 件 的 搬 运 、 装 卸 , 特 别 是 在 自 动 化 数 控 机 床 、 组
合 机 床 上 使 用 更 为 普 遍 。 目 前 , 机 械 手 已 发 展 成 为 柔 性 制 造 系 统
FMS 和 柔 性 制 造 单 元 FMC 中 的 一 个 重 要 组 成 部 分 。
本 次 设 计 研 究 的 意 义 有 :
1 、 可 提 高 生 产 过 程 的 自 动 化 程 度 , 应 用 机 械 手 , 有 利 于 提
高 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 程 度 , 从 而 可 以 提 高 劳 动 生 产 率 , 降 低 生 产 成 本 , 加 快 实 现
工 业 生 产 机 械 化 和 自 动 化 的 步 伐 。
2、 可 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 它 毒 性 污 染 以 及 工
作 空 间 狭 窄 等 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 地 完 成 作 业 , 大 大 地 改
善 了 工 人 的 劳 动 条 件 。 在 一 些 动 作 简 单 但 又 重 复 作 业 的 操 作 中 ,
以 机 械 手 代 替 人 手 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 。
3、 可 以 减 少 人 力 , 并 便 于 有 节 奏 地 生 产 。
4 、 本 课 题 研 究 的 机 械 手 机 构 简 单 , 主 要 采 用 一 个 伺 服 电 机
和 两 个 气 缸 控 制 机 械 手 在 三 个 方 向 进 行 移 动 来 实 现 上 料 动 作 , 成
本 相 对 其 它 机 械 手 比 较 低 且 控 制 容 易 。
毕 业 设 计 作 为 大 学 四 年 的 一 个 总 结 。 通 过 对 三 轴 伺 服 驱 动 机
械 手 结 构 设 计 , 培 养 我 们 综 合 运 用 所 学 过 的 基 本 理 论 、 基 本 知 识
和 基 本 方 法 和 解 决 问 题 的 能 力 。 同 时 让 我 们 对 软 件 的 使 用 有 了 更
深 的 认 识 , 是 我 们 踏 上 工 作 岗 位 之 后 手 中 多 了 一 份 筹 码 , 而 且 ,
通 过 自 身 对 课 题 的 研 究 和 小 组 的 讨 论 , 增 强 了 我 们 的 团 队 合 作 意
识 , 提 高 了 我 们 的 实 践 能 力 。
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