【正文】 制二維圖紙，并根據(jù)二維圖紙內(nèi)容，用三維軟件對(duì)機(jī)械手各零件進(jìn)行三維建模，然后裝配形成機(jī)械手實(shí)體模型。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；三自由度；三維建模 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 III Abstract The design in this thesis is a three degree of freedom manipulator, this paper first introduces the classification of position on the mechanical hand, described the manipulator on use and effect of industry now. Mechanism of manipulator mechanical design will be analyzed, force moment and calculate the mechanical hand each ponent according to the requirement, and then choose the reasonable size of the ponents, then according to the size of drawing twodimensional drawings, and according to the content of 2D drawings, 3D modeling for every part of the manipulator by 3D software, and then assembled to form the manipulator entity model. Keywords： Manipulator； Three degree of freedom； 3d modeling. 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第一章 緒論 機(jī)械手的發(fā)展 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，是機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要 的作用。工業(yè)機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。其工作并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物 ,也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。而在傳統(tǒng)的人工取物的過(guò)程中 ，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間單一操作易產(chǎn)生疲勞及消極情緒，而且人無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作，但這些問(wèn)題工業(yè)機(jī)械手卻可以解決。本設(shè)計(jì)中，連接塊與手臂采用螺紋連接，并且螺紋桿與連接塊獨(dú)立開(kāi)來(lái)，不僅解決了抓取物體時(shí)的前進(jìn)精度問(wèn)題，同時(shí)保證了手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。 機(jī)械手的分類(lèi) 工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)繁多，在國(guó)內(nèi)暫無(wú)明確系統(tǒng)分類(lèi)，一般情況下可以通過(guò)下面三種方式進(jìn)行區(qū)分。 專用 機(jī)械 手：是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自 動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手。 通用機(jī)械手：它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種 .簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類(lèi)型。 液壓傳動(dòng)機(jī)械手：液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且負(fù)載能力強(qiáng)，對(duì)于重載的搬運(yùn)和零件加工機(jī)械人，采用液壓驅(qū)動(dòng)比較合理。但液壓驅(qū)動(dòng)存在管道復(fù)雜，清潔困難的缺點(diǎn)，因此，它在裝配作業(yè)中的應(yīng)用受到限制。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī) 械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作迅速、價(jià)格低廉，但由于空氣具有可壓縮性，其工作速度穩(wěn)定性較差，但是也由于空氣的可壓縮性，可使得手爪（末端操作器）在抓取物體或?qū)⑵淇ňo時(shí)的順應(yīng)性提高，防止了受力過(guò)大而造成被抓物體或手爪本身的損壞。氣壓系統(tǒng)的壓力一般為 ，因此抓取力小。 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。 電力傳動(dòng)機(jī)械手：電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手中應(yīng)用的最普遍的，一般可分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)三種。早期一般采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展成直流伺服 電動(dòng)機(jī)，而現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)也開(kāi)始廣泛應(yīng)用。 產(chǎn)業(yè)用機(jī)械手：按照服務(wù)產(chǎn)業(yè)種類(lèi)的不同，產(chǎn)業(yè)用機(jī)械手可分為工業(yè)機(jī)械手、農(nóng)業(yè)機(jī)械手、和醫(yī)療機(jī)械手等。而本設(shè)計(jì)主要研究對(duì)象是工業(yè)機(jī)械手，工業(yè)機(jī)械手按照用途分：搬運(yùn)機(jī)械手、焊接機(jī)械手、裝配機(jī)械手、檢測(cè)機(jī)械手等。 極限作業(yè)機(jī)械手：此類(lèi)機(jī)械手是指應(yīng)用于人們難以進(jìn)入的極限環(huán)境，如果核發(fā)電站、宇宙空間、海底等特殊環(huán)境中工作，完成作業(yè)任務(wù)的機(jī)械手。 服務(wù)性機(jī)械手：是指用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類(lèi)的各種先進(jìn)機(jī)械手，如醫(yī)療公司，餐飲行業(yè)等。 機(jī)械手 的組成 機(jī)械手的組成包括控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，感知系統(tǒng)，如圖 11 所示： 圖 11 機(jī)械手組成框圖 ：手部、手腕、手臂、轉(zhuǎn)臺(tái)和底座 手：既是末端操作器，一般可分為夾持式和吸附式。夾持式一般是指有手爪和傳力機(jī)構(gòu)，手爪則與物體直接接觸，傳力機(jī)構(gòu)通過(guò)手爪施加夾緊力來(lái)完成夾緊工件的任務(wù)，而吸附式通過(guò)手指將物件夾正，然后通過(guò)手心吸盤(pán)將物件吸附。 手腕：是連接手部與手臂的機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)手腕調(diào)整手部方位，更方便抓取物品。 控制系統(tǒng) 感知系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 手臂：起著連接與承受外力的作用，一般可以進(jìn)行三個(gè)動(dòng)作：旋 轉(zhuǎn)，伸縮，升降。通常由驅(qū)動(dòng)部件如油缸、氣缸、齒輪、連桿機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)源配置如液壓缸、氣壓缸、伺服電機(jī)等組成。 轉(zhuǎn)臺(tái)和底座：兩者在機(jī)械手中通常起支撐作用，手臂的旋轉(zhuǎn)，升降與底座有很大的關(guān)系，底座則主要是支撐作用。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電氣、液壓、氣動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)四大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)將四種結(jié)合起來(lái)應(yīng)用的綜合系統(tǒng)，該部分相當(dāng)于人的肌肉組織。 控制系統(tǒng)一般分為單片機(jī)或者 PLC 兩種控制方式，單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用方便、數(shù)據(jù)采集能力強(qiáng)， 工業(yè)控制用途很廣泛，但是其抗干擾能力差，而 PLC一般是專門(mén)用于工程現(xiàn)場(chǎng)的控制，抗干擾能力強(qiáng)，一般工業(yè)機(jī)械手都是采用 PLC作為控制系統(tǒng)。機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般相當(dāng)于人的大腦。 感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器和外部傳感器組成，其作用是獲取機(jī)械手內(nèi)部和外部環(huán)境信息，并把這些信息反饋給控制系統(tǒng)。其中，內(nèi)部狀態(tài)傳感器用于檢測(cè)各關(guān)節(jié)的位置、速度等變量，外部傳感器則用于檢測(cè)機(jī)械手與周?chē)h(huán)境之間的狀態(tài)變量如距離、接近程度和接觸情況。該部分相當(dāng)于人的五官。 參數(shù)表是機(jī)械手制造時(shí)所提供的技術(shù)數(shù)據(jù)。技術(shù)參數(shù) 反映了機(jī)械手可勝任的任務(wù)、具有的最高操作性能等情況，是選擇、設(shè)計(jì)、引用機(jī)械手必須考慮的數(shù)據(jù)。機(jī)械手的參數(shù)一般有自由度、精度、重復(fù)定位精度、工作范圍、承載能力等。通常的機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)和抓取過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的精度誤差，而本設(shè)計(jì)中對(duì)于機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)采用與連接塊 2 螺紋連接產(chǎn)生推動(dòng)動(dòng)力的結(jié)構(gòu)，可以將精度偏差有些控制在177。 ，螺紋連接產(chǎn)生的無(wú)法旋轉(zhuǎn)的問(wèn)題也可以將螺紋柱與連接塊 2分開(kāi)獨(dú)立來(lái)解決。本文的三自由度機(jī)械手技術(shù)參數(shù)如表 11 所示： 表 11 機(jī)械手的參數(shù)表 機(jī)械手基本參數(shù) 機(jī)械結(jié)構(gòu) 垂直多關(guān)節(jié)型 自由 度數(shù) 3 定位精度 本體質(zhì)量 20kg 安裝方式 地面安裝 抓取物體最大質(zhì)量 2kg 最大作業(yè)范圍 S 軸（轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)） 100176。 U 軸（手臂前進(jìn)） 400mm 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 續(xù)表 11 B 軸（機(jī)身俯仰） 135176。 T 軸（手腕回轉(zhuǎn)） 360176。 允許力矩 S 軸 6 mN? B 軸 6 mN? T 軸 3 mN? 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 A 第二章 機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求及尺寸計(jì)算 機(jī) 械手的要求是精度高，承載大載荷，要求對(duì)部件進(jìn)行精準(zhǔn)的尺寸設(shè)計(jì)，一定的定位精準(zhǔn)要求，分析抓取或者搬運(yùn)時(shí)候的受力特性。 機(jī)械手的抓取手指設(shè)計(jì)要求及尺寸計(jì)算 末端操作器是機(jī)械手指直接接觸物體的機(jī)構(gòu)，本節(jié)將對(duì)主要受力的手指進(jìn)行設(shè)計(jì)并計(jì)算尺寸。 （一） 具有一定的開(kāi)閉范圍。 （二）具有足夠的加持力。 （三）保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。 （四）結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小，強(qiáng)度大，選擇輕質(zhì)材料。 ： 而對(duì)末端操作器而言，因?yàn)樽ト∥矬w為 450g 需保證下斷手指的抓取力的最少承受應(yīng)力為 F=，但是因?yàn)槊看巫ト∥矬w都有其特殊性，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證每根手指的最少承受應(yīng)力為 F=，而由圖 11 可知，夾取時(shí)物體對(duì)手指的反作用力為 ，此時(shí)選取材料剪應(yīng)力為 ?? 。則此時(shí)對(duì)最下端手指進(jìn)行抗扭分析如圖 12： 圖 12 機(jī)械手專用手指受力圖 此時(shí) B 點(diǎn)彎矩 : mmNmmNFlM ?????? 3 7 )( 而手指的抗彎能力為 : 4433 )12 (12 mmmmbhI Z ???? 則手指受力部分中心面的最大正應(yīng)力為： F= B 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 MpayIMz a xm a x ????? 而公式中： M 是橫截面上的彎矩； max? 是橫截面上距中心軸為 y 的各點(diǎn)的正應(yīng)力；y 是所求點(diǎn)到中性軸的距離； ZI 是橫截面對(duì)中性軸 z 的慣性矩；它表示截面的抗彎能力。 經(jīng)驗(yàn)證手指 ?? ?max 符合抓取物體的應(yīng)力要求。 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求及尺寸計(jì)算 工業(yè)機(jī)械手中的手臂承載腕部、工件的靜動(dòng)載荷，需要承受較大的總質(zhì)量，因此其受力很復(fù)雜，運(yùn)動(dòng) 時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力矩，引起沖擊，容易影響其定位的準(zhǔn)確性。因此設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量采取高強(qiáng)度、硬度的材料。 （一）具有一定的剛度，即抵抗外力作用下永久變形和斷裂的能力。 （二）設(shè)計(jì)尺寸精確，保證抓取時(shí)的精確度。 （三）保證行走時(shí)能客服自身的摩擦力矩。 （四）結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度大，選擇剛性材料。 設(shè)定機(jī)械手伸縮機(jī)械前臂主體部分截面長(zhǎng)為 D=130mm，截面寬 d=150mm。設(shè)加上前臂的承載手部與工件的質(zhì)量總和 ，這樣前臂所受力為 F=，機(jī)械前臂長(zhǎng) l =700mm，材料剪應(yīng)力 MPaz 65?? ，此時(shí)前臂受力如圖 22： 圖 22 機(jī)械手臂的受力 此時(shí)機(jī)械手的手臂的彎曲變形： mmNmmNFlM ????? 1 7 1 5 0)7 0 ( 軸慣性矩 ： L=700mm F= A B 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 7 受力分解 4433 )12 150130(12 mmmmbhI Z ???? 所受最大正應(yīng)力： ZIyM maxmax ??? = MP 75101862 ??? 最后比較 z? ， max? ，得出 z?? ?max ，所以設(shè)定值符合。 機(jī)械手機(jī)身的設(shè)計(jì)要求及尺寸計(jì)算 機(jī)身與臂部相連，機(jī)身通過(guò)連接塊連接手臂。本設(shè)計(jì)中機(jī)身一般用于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)和仰俯運(yùn)動(dòng)。而機(jī)身在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中要克服承載物體對(duì)機(jī)身的壓力以及自身的慣性扭矩，因此同機(jī)身一樣要采用高強(qiáng)度硬度的材料。 （一）機(jī)身要具有足夠的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 （二）運(yùn)動(dòng)要靈活，用于實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的軸不宜過(guò)長(zhǎng)，避免長(zhǎng)時(shí) 間負(fù)載之后發(fā)生變形影響穩(wěn)定性。 （三）結(jié)構(gòu)布置要合理。 （四）結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)度大，選擇材料為 7075 鎂鋁。 機(jī)械手機(jī)身在機(jī)構(gòu)中起著支撐手臂及連接轉(zhuǎn)臺(tái)的作用，對(duì)其俯仰精度要求不高，而對(duì)其強(qiáng)度要求高，即對(duì)抗變形能力要求高。 機(jī)身受力位于機(jī)身與手臂相連的頂部，但是因?yàn)闄C(jī)身機(jī)構(gòu)可以看成對(duì)稱型，其質(zhì)心位置位于幾何圖形的幾何中心，根據(jù)靜力學(xué)原理可求出手臂的質(zhì)心位置位于圖 23 的 AB 段上。 對(duì)設(shè)定的機(jī)械機(jī)身進(jìn)行受力簡(jiǎn)化分析如圖 24： 圖 23 機(jī)械手機(jī)身受力圖 由前文分析 得出：因?yàn)闄C(jī)身機(jī)構(gòu)可以看成對(duì)稱型，其質(zhì)心位置位于幾何圖形的幾何中心。當(dāng)負(fù)載總質(zhì)量為 時(shí)，機(jī)身的受力及力的分解分析如圖 23；所以此時(shí)機(jī)械手后臂的最大危險(xiǎn)截面為中間 AB 段，材料的許用切應(yīng)力為MPa76?? ； B A B A 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 8 計(jì)算此時(shí)上端至 AB 段的扭矩： mmNMT ?????? 51 4 5 0 按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)軸的直徑 d： 由公式： ][ 3m a x ?? ??? dTWT n