三自由度工业搬运机械手结构设计
目 录
第一章 绪 论…………………………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………………………1
1.2 工业机械手的简史………………………………………………………………2
1.3 工业机械手在生产中的应用……………………………………………………3
1.4 机械手的组成……………………………………………………………………4
1.4.1执行机构……………………………………………………………………4
1.4.2驱动系统……………………………………………………………………6
1.4.3控制系统……………………………………………………………………6
1.4.4位置检测装置………………………………………………………………6
1.5 工业机械手的分类………………………………………………………………7
1.5.1按用途分……………………………………………………………………7
1.5.2按驱动方式分………………………………………………………………7
1.5.3按控制方式分………………………………………………………………8
1.6 工业机械手的发展趋势…………………………………………………………9
1.7 工业机械手的自由度和座标型式………………………………………………10
1.8 本文主要研究内容………………………………………………………………12
第二章 方案的确定与比较分析……………………………………………………12
2.1 机械手机械系统的比较与选择…………………………………………………12
2.2 机械手驱动系统的比较与选择…………………………………………………15
第三章 驱动源的选择与设计计算…………………………………………………17
3.1 主要技术参数的确定……………………………………………………………17
3.2 各关节电机的选择计算…………………………………………………………18
3.2.1 大臂旋转电机的选择……………………………………………………19
3.2.2 小臂旋转电机的选择……………………………………………………20
第四章 机械手的设计方案…………………………………………………………21
4.1 机械手基本形式的选择…………………………………………………………21
4.2 设计时考虑的几个问题…………………………………………………………21
4.3 机械手的主要部件及运动………………………………………………………22
4.4 驱动机构的选择…………………………………………………………………22
4.5 机械手手爪的设计………………………………………………………………23
4.6 机械手手爪夹持精度的分析……………………………………………………23
第五章 臂部的设计及有关计算……………………………………………………24
5.1 臂部设计的基本要求……………………………………………………………24
5.2 手臂的典型机构以及结构的选择………………………………………………25
5.2.1 手臂的典型运动机构………………………………………………………25
5.2.2 手臂运动机构的选择………………………………………………………25
5.3 手臂直线运动的驱动力计算……………………………………………………25
5.3.1 手臂摩擦力的分析与计算…………………………………………………26
5.3.2 手臂惯性力的计算…………………………………………………………27
5.3.3 连接部分的摩擦阻力………………………………………………………27
第六章 底座的设计计算……………………………………………………………27
6.1 底座的整体设计…………………………………………………………………28
6.2 机身回转机构的工作原理………………………………………………………28
第七章 各机械部件的设计选择与校核…………………………………………29
7.1 轴的设计与校核…………………………………………………………………29
7.1.1 大臂旋转轴的设计………………………………………………………29
7.1.2 大臂轴的强度校核………………………………………………………29
7.2 键的选择与强度的校核…………………………………………………………33
7.2.1大臂旋转轴键联接处键的强度校核………………………………………33
7.2.2小臂旋转轴键联接处键的强度校核………………………………………34
7.3 轴承寿命的校核…………………………………………………………………35
第八章 结论……………………………………………………………………………37
参考文献……………………………………………………………………………………38
致 谢………………………………………………………………………………………39
2.1 机械手机械系统的比较与选择
直角坐标型机械手
直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动。结构简图见表2.1。
其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X、Y、Z三个直线运动方向上各具有A、B、C三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。圆柱坐标型机械手
圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。
圆柱坐标式机械手由X、Z、φ三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.
圆柱坐标式机械手有五个基本动作：
(1) 手臂水平回转；
(2) 手臂伸缩；
(3) 手臂上下；
(4) 手臂回转动作；
(5) 手爪夹紧动作。
圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（φ）。
圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。
3 球坐标型机械手
球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X、θ、φ三个方向的运动组成。结构简图见表2.1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。
球坐标式机械手可实现以下八个动作：
(1) 手臂上下动作，即俯仰动作；
(2) 手臂左右动作，即回转动作；
(3) 手臂前后动作，即伸缩动作；
(4) 手腕上下弯曲；
(5) 手腕左右摆动；
(6) 手腕旋转运动；
(7) 手爪夹紧动作；
(8) 机械手整体移动。
球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。
