1、摘要科學發展觀為我國工程技術的發展開辟了廣闊道路，而機械手作為一種高科技自動化生產設備，已經廣泛應用于國民經濟的各個領域，這就對我們的教育培訓部門提出了新的要求。因此，為了適應社會發展的形勢，在現有技術基礎上設計一臺沖床自動上料機械手有著深遠的科教意義。本課題設計的120t沖床自動上料機械手設計，主要包括機械手的總體方案設計、機械手的機械結構設計以及驅動、控制系統設計等，實現了機械手手部的四自由度運動：手臂的升降、伸縮和手腕、手臂的回轉。設計中分析了該機械手的功能要求和現實意義，通過氣壓缸來實現手臂的升降和伸縮，采用回轉氣壓缸來實現手腕和手臂的回轉。設計的機械手結構簡單、便于操作，在單片機的控

2、制下完成預期的動作。關鍵詞 機械手；氣動裝置；四自由度；控制系統AbstractScientific concept of development of engineering technology has opened up a broad road, while the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of national economy, which the education and training sector of our pr

3、oposed new requirements. Therefore, in order to adapt to the situation of social development, based on existing technology to design a teaching type robot science has far-reaching significance.The subject of design for teaching handling robots, mainly consists of robots overall design, robot mechani

4、cal structure design, as well as drive, control system design, implementation of the manipulator hands of four degrees of freedom: the arm movements, stretching and wrist, arm, rotary. The design of the teaching function of mechanical hand requirements and practical significance, achieved by pneumat

5、ic cylinders push the arm movements and stretching,rotary pneumatic cylinders used to achieve arm and wrist rotation.Manipulator design simple, easy to operate, under the control of the MCU to complete the desired action, giving the students a visual impression, to achieve the purpose of teaching de

6、monstration.Keywords Manipulator Teaching type Four Degrees of Freedom SCM目 錄1 緒論11.1 機械手概述11.2 機械手的組成和分類11.2.1 機械手的組成11.2.2 機械手的分類41.3 國內外發展狀況51.4課題研究的主要內容71.5機械手的功能要求72 機械手的設計方案82.1 機械手的座標型式與自由度8 機械手的坐標型式82.1.2 機械手的自由度92.2 機械手的手部結構方案設計102.3 機械手的主要參數112.4 機械手的技術參數列表123 機械手機械系統設計143.1 手部結構設計14設計時考慮的

7、幾個問題14手爪夾持裝置的機構選型14手部夾緊氣缸的設計163.2手腕結構設計183.2.1 手腕的自由度183.2.2 手腕的驅動力矩的計算183.3手臂結構設計22手臂伸縮與手腕回轉部分22手臂升降和回轉部分24手臂升降氣缸的設計24手臂回轉缸體的設計284機械手氣壓系統的設計294.1氣壓傳動系統工作原理圖294.2氣動元件介紹29結論33致謝34參考文獻351 緒論1.1 機械手概述機器人由操作機（機械本體），控制器，伺服驅動系統和檢測傳感裝置構成一個人形操作，自動控制，可重復編程，能在自動化生產設備的三維空間機電一體化的完成各種工作。特別適合于多品種，體積可變的柔性生產。其穩定性，并

8、提高產品質量，提高生產效率，提高起著的勞動條件和產品的快速更新換代非常重要的作用。高科技機器人技術是計算機，控制論，組織，信息和傳感技術，人工智能，仿生學并形成其他學科的結合，是當代研究十分活躍，日益廣泛領域的應用。機器人技術的應用，是一個國家工業自動化水平的重要標志。機器人代替人工的勞動不是簡單意義上的，而是一個人誰有意優勢的機電設備機械和專業知識，無論人們對環境狀況和快速反應能力，分析和判斷，另一臺機器很長一段時間繼續工作，精確度高，抗惡劣環境，從某種意義上，它也是機器，這是一個重要的生產和工業及非工業界每一組是不可缺少的先進服務的進化過程的產物制造技術自動化設備。機器人是模仿人手的行動的

9、一部分，根據給定的程序，跟蹤和自動機械裝置的自動采集，處理或操作要求。在工業機器人稱為應用“工業機器人”。在生產自動化機器人應用可以提高生產水平和勞動生產率：可以減輕勞動強度，保證產品質量，實現安全生產，特別是在高溫，高壓，低溫，低壓，粉塵，易爆，有毒氣體和放射性和其他惡劣環境下代替正常的勞動人民更是顯著。因此，越來越廣泛引用于機械加工，沖壓，鑄造，鍛造，焊接，熱處理，電鍍，涂裝，總裝及輕工，交通等方面的問題。機器人開始正式結構相對簡單，高度敬業的，只有一臺機器裝卸設備連接到本機專用機械手。隨著工業技術的發展，通過程序控制制成，可實現獨立的重復操作，“萬能機器人控制程序”的范圍很廣，簡稱通用機

10、械手。因為一般的機器人可以迅速改變工作方案，適應性，所以它是不斷變化的品種小批量的生產積累了豐富的參考資料。1.2 機械手的組成和分類 機械手的組成主要由機器人執行器，驅動形成系統，控制系統和位置檢測裝置。各系統相互之間的關系如方框圖1-1所示。 控制系統驅動系統被抓取工件執行機構位置檢測裝置圖1-1機械手的組成方框圖(一)執行機構它包括手，手腕，手臂和列的其他部分，和一些額外的行走機構。手部該部件與所述對象接觸。由于不同的形式與對象接觸，可以分為夾子和吸附手。片手用手指（或爪）和傳力機構構成。手指與對象組件手指運動的常用形式回轉型和平移型直接接觸。回轉型手指結構簡單，易于制造的組件，所以廣泛

11、應用。少平移的應用，其原因是復雜的結構，但是平移圓形夾緊手指部分，工件直徑變化不影響其軸線的位置，因此，在大徑范圍適于保持工件。手指結構取決于物體的表面被抓取的形狀，夾件（外部輪廓或空穴）和重和該對象的尺寸。常見的有手指平，V形表面和表面：手指夾式和卡片;指數有兩個手指，多指式和手，如兩個手指的風格。 通過手指夾生成把對象來完成任務的動力傳遞機構的夾緊力。傳力機構型式較常用的有:連桿式、凸輪式、齒輪齒條式、螺旋式和繩輪式等。吸附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。對于輕小片狀零件，光滑的板材，通常用吸盤吸。造成

12、消極的方式有氣流和真空負壓式。 為圓環的滲透性，和一個穿孔的磁盤部件，并且有網狀金屬板，通常電磁吸盤吸力。由直流和交流電磁鐵的電磁鐵產生的電磁吸盤吸力。 帶吸盤和吸入電磁吸盤，其形狀，數目，大小吸附力吸盤，可根據被吸附的對象的形狀，大小和重量的大小。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。3、手臂所述支撐臂被捕獲的對象，手，腕的重要組成部分。操作臂帶動手指抓住一個對象，然后要求將其定運輸到指定地點。通常由機器人臂部件（如氣缸，氣缸，齒輪齒條機構，連桿機構，凸輪機構和螺桿機構等）和驅動源（例如液壓的，氣動的或電機等）的驅動器手臂的運動，使手臂的各種運動。手臂可能實

13、現的運動如下: 手臂運動基本運動復合運動直線運動與回轉運動的組合(即螺旋運動)兩直線運動的組合(即平面運動)回轉運動:如水平回轉、左右擺動運動直線運動:如伸縮、升降、橫移運動兩回轉運動的組合(即空間曲面運動)。當伸縮臂攜帶或升降運動，以防止繞其軸線旋轉時，都需要一個導向裝置，以確保手指的運動的正確方向。此外，該指南還承擔當彎矩和扭矩和擺動手臂運動開始，由制動轉矩產生，使運動部件的應力狀態是簡單的轉動慣量遭受武器。 引導裝置結構的形式，常用的有：單缸，兩缸和四缸型，如取向。4、立柱柱支承臂部件，列也可能是手臂的一部分，手臂和電梯（或瀝青）運動的旋轉運動都與列相關聯。該機器人是一般的工作需要固定的

14、列，但有時也可以橫向移動，被稱為便攜式列。5、行走機構相比與工業機器人需要完成的操作距離，或擴大使用范圍，輥可安裝在基體中，軌運行的齒輪等上，以實現在整個工業機器人的運動。輥行走機構可分為2軌和無軌。運動應增設四輪驅動機械傳動裝置。6、機座基座是一個基本組成部分的機器人，和驅動系統組成的機器人驅動器被安裝在支架上，它作為支撐和連接。(二)驅動系統機器人驅動系統驅動一個動力致動器的運動裝置，通常由一動力源，所述控制裝置和所述輔助調節裝置的組成部分。有驅動系統液壓四種常見形式，氣動傳動，動力傳動和機械傳動等。（三）控制系統控制系統由工業機器人運動控制系統的要求為主。目前機械手控制系統的一般過程控制

15、系統和電氣定位（或機械擋塊定位）系統。控制系統一般采用電器控制，可根據規定的動作程序，哪些占主導地位的機器人，和人們的記憶中給機器人指令信息（如動作順序，軌跡，速度和時間），而他們的信息控制系統的執行器發出一個指令，如果需要，監視機器人的運動，當發生錯誤或故障的報警信號的作用。(四)位置檢測裝置機器人的運動控制致動器位置和致動器的任何時候反饋到控制系統中的實際位置，并與所述位置集合，然后由控制系統調節，使得致動器被設置為在一定的位置精度進行比較。 機械手的分類許多類型的機器人，在分類問題，有一個在國家分類標準不統一，在此暫按范圍，驅動器和分類控制系統。(一)按用途分機械手可分為專用機械手和通用

16、機械手兩種:1、專用機械手它被連接到主機，與沒有機械設備的獨立控制系統的固定程序。特種機器人有少動，工作對象單一，結構簡單，工作可靠，成本低的特點，往往在這種自動化的自動機，自動線切割機器人和“加工中心”批量生產自動換刀裝置的使用。2、通用機械手它是一個獨立的控制系統，該過程變量，機器人的靈活操作。可通過調節驅動系統和性能范圍，其中操作方案是可變的并且是獨立于控制系統的用于在不同的場合。通用機器人工作范圍，定位精度高，通用性強，適合生產品種變化小批量的生產自動化。 通用機械手控制自己的方式和伺服定位可分為兩種簡單：簡單的“開關”控制位置，控制點只有：與伺服定位系統，可以點位置控制伺服控制，也可

17、以實現連續路徑控制，通用機器人伺服數控型。(二)按驅動方式分1、液壓傳動液壓操縱器的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是：抓重可達幾百公斤，傳動平穩，結構緊湊，動作靈敏。然而，在密封裝置，或油泄漏性能機械臂嚴格要求有很大的影響，并且應工作在高溫和低溫下。如果機器人使用電動液壓伺服驅動系統，可實現連續路徑控制擴大機器人的通用性，但高精度的電動液壓伺服閥，流體過濾苛刻和昂貴的制造。2、氣動驅動機器人是一種壓縮空氣的壓力來驅動機器人的致動器的運動。其主要特點是：媒體源極為方便，體積小輸出功率，氣動快速動作，結構簡單，成本低。然而，由于空氣是可壓縮的特性，工作速度的穩定性差，大和低氣壓的影響，

18、制動器30千克的重量通常是在相同的條件下重新抓它比機器人的液壓結構變大，因此，適用于高速工作，輕載，高溫，多塵的環境。3、機械傳動機械手也就是說，機械傳動機構（如凸輪，連桿，齒條和齒輪機構等間歇地）驅動的機械手。這是工作機器人專用主機，其功率是由一個工作機器交付之附屬公司。它主要特點是運動準確可靠，偉大的運動頻率，但較大的結構，動作程序不能改變。它經常被用來在主機上，切割的工作。4、電力傳動機械手即，感應電動機的特殊結構中，線性馬達或步進馬達直接驅動機器人致動器的動力運動，因為沒有中間轉換機構，該機械結構簡單。其中線性電機的機器人的移動速度和沖程長度，維護和易于使用。這種機器人是目前不多，但有

19、希望的。(三)按控制方式分1、點位控制它的運動來移動點之間的空間，在運動控制位置只有幾個點，無法控制它的軌跡。若欲多個控制點，勢必增加了電氣控制系統的復雜性。目前使用的專用和通用工業機器人都屬于這一類。2、連續軌跡控制它是任何空間軌跡的連續曲線，其特點為無限集合點，整個過程是在移動的控制下，可以是光滑的和準確的移動，并使用范圍很廣，但電氣控制系統的復雜性。這種機器人一般采用小型計算機控制。1.3 國內外發展狀況近年來，機器人的海外發展領域有以下趨勢：(1) 機器人性能不斷提高（高速度，高精度，高可靠性，便于操作和維護），以及單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的65

20、萬美元。(2) 機械結構向模塊化，可重構化發展。如關節模塊伺服電機，減速機，三一檢測系統：關節模塊，利用重組機器人機械構造鏈路模塊;國外已經要求全市模塊化裝配機器人。(3) 以基于PC的易標準化，網絡的開放型控制器方向機器人控制系統的開發，提高設備集成度，控制柜變得越來越緊湊，模塊化結構：大大提高了系統的可靠性，易于操作和維護。(4) 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置，速度，加速度傳感器，裝配，焊接機器人還應用遠景，力傳感和其他傳感器和遠程控制機器人采用視覺，聲覺，力，觸覺等多傳感器融合技術來進行環境建模及決策控制，多傳感器融合技術已經成熟的應用程序配置在系統中的產物。(5) 虛

21、擬現實技術中的模擬，對過程控制排演的發展，如遠程控制機器人操作員，以產生暴露于遠程操作環境來操縱機器人的觸感機器人的作用。(6) 擁有現代化的遙控機器人開發系統是不追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人控制，遙控加局部自主系統，是監控系統的完整的遠程操作之間的人機交互，使智能機器人走出實驗室進入實用階段。美國發起的“旅居者”機器人成功的這樣一個系統的應用是火星上最有名的例子。(7) 機器人機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來這種新裝置已成為國際熱點研究之一，已經探索擴大實際應用的領域。中國從20世紀80年代，工業機器人，“規劃”科技攻關開始通過“七五”國家的支持下，“八一”技術

22、，已基本掌握了機器人操作機的設計和制造技術，控制系統硬件和軟件開發涂裝，焊接，點焊，裝配，搬運等機器人設計技術，運動學和軌跡規劃技術，生產一些機器人的關鍵部件；其中有130余臺套噴漆機器人在20多家企業的應用規模，對工廠近30自動噴漆生產線（站）在汽車焊接機器人焊接生產線應用。但有一定的水平和國外比從整體來看，中國的工業機器人和工程應用，如：可靠性低于國外產品：機器人應用工程起步較晚，狹窄的應用，技術和生產線國外比有差距的制度;在應用中國國內工業機器人的規模已經安裝了約200個單位，占全球安裝萬分之四的單位數。主要的原因是沒有上述機器人產業形成，目前生產的機器人是用戶的要求， “一個客戶，一個重新設計” ，品種規格齊全，體積小，零部件