小型三轴机械手

新乡学院

2012届毕业设计

小型三轴机械手

论文作者姓名：__ 臧俊涛 __

所在院系：__机电工程学院_____

所学专业：机械制造及其自动化

指导老师：_ 张国智 _

论文完成时间：_20121年 5 月 12 日___

内容摘要 ................................................... 2

关键词 ..................................................... 2

Abstract ................................................... 2

Key word ................................................... 3

前言 ....................................................... 4

1．工业机械的发展 .......................................... 4

1.1机械手在生产中的应用 ................................. 6

2 .三轴机械手的整体设计方案 ................................ 6

2.1 整体结构设计 ........................................ 7

2.2 X轴设计 ............................................. 8

2.3 Y轴设计 ............................................ 11

2.4 Z轴设计 ............................................ 13

2.5 夹具机械设计 ....................................... 15

参考文献 .................................................. 20

致谢 ...................................................... 21

内容摘要：工业机器手由操作机(机械本体) 、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产机械手的结构形式比较简单，通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

关键词：机器手效率简单适应性

Abstract ： Industrial machine by hand CaoZuoJi (mechanical body), controller, servo drive system and detection sensor, which is a kind of copy operation, automatic control, can repeat programming in 3 d space, can finish all kinds of assignments electromechanical integration of the automatic production equipment. Particularly suitable for many varieties, change of flexible production batch. It to help stabilize, improve product quality, raise efficiency in production, improve working conditions and product rapid renewal plays a very important role. Production application manipulator can be used to increase production of automation level, can reduce labor intensity, ensure the quality of products, and realize safe production of the manipulator structure form began comparing simple, general manipulator can quickly change working procedures, good

daptability, so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references. Key word: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability

前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。工业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，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1．工业机械的发展

1.1工业机械手的起源

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主

从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自

[]产品动化。 4

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，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，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动) 。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton ）, 专门生产工业机械手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran 机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。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。

1978年美国Unimate 公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。

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年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从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。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年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system) 和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

1.2工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可

[]广泛以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 5

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

2. 三轴机械手的总体设计方案

本课题是电子行业三轴式机械手的设计，是机械手中最简单的一种。本设计主要任务是完成机械手的结构以及传动方面设计。在本章中对机械手的驱动机构等进行了初步确定。因此，在机械手的执行机构、传动机构是本次设计的主要任务。（本设计中用到的视图均为第三视角视图）

2.1整体结构设计

机械手即为三轴。确定为X 轴、Y 轴、Z 轴。X 轴为水平方向有效行程为300

Y 轴为水平面上垂直于X 轴的方向有单效行程为300，Z 轴为竖直方向垂直于XY 轴，有效行程为100。结构图如下图所示

图2.1 整体结构

2.2 X轴设计

电机选择

由于扭距不是很大，选用200v.200w 的步进电机即可

由于X 轴行程较长又考虑到成本决定采用同步皮带传动。为了方便编程和控制系统的分辨率较高可用1：1的传动比。

同步轮选用用传动如下

图2.2传动示意图

由于同步皮带需要张紧和为了装配方便。故一个同步轮做成可以调节即可。固定方式可做成如下结构。初步确定中心距为375

为了平稳可用两条直线滑轨支持，同步带位于两条滑轨之间。两条滑轨中心距为65。滑轨选用示间图如下

图2.3 示间图

每台机器都要整机复位，选用一个欧母龙的槽形光电感应器和不锈钢割制的1.5厚的感应片就可满足复位要求

为了防止撞机和滑块滑出滑轨故在导轨一端做一个用聚氨酯做成的那限位装置

由于X 轴要带到动整个Z 轴移动，上边所做的同步轮可调节机构可能会出现同步轮移动，造成同步带没有张紧，影响操作精度。可用螺栓加螺母来定位。结构如图下

图2.4 定位结构图

现在只差同步带连接部分，这部分可带动整个X 轴的移动整体X 轴的结构图如下

图2.5 整体X 轴的结构图

2.3 Y轴设计

Y 轴主要放较轻的产品，结构与X 轴相似，不用定位螺丝定位即可电机选择

由于扭距不是很大，选用200v.200w 的步进电机即可

由于X 轴行程较长又考虑到成本决定采用同步皮带传动。为了方便编程和控制系统的分辨率较高可用1：1的传动比。

同步轮选用用

传动和X 轴相同如下

图2.6 传动示意图

由于同步皮带需要张紧和为了装配方便。故一个同步轮做成可以调节即可。固定方式可做成如下结构。初步确定中心距为375。

为了平稳可用两条直线滑轨支持，同步带位于两条滑轨之间。两条滑轨中心距为65。滑轨选用奇骏公司的EG15(高度为15，EG 为型号)

每台机器都要整机复位，选用一个欧母龙的槽形光电感应器

和不锈钢割制的1.5厚的感应片就可满足复位要求

为了防止撞机和滑块滑出滑轨故在导轨一端做一个用聚氨酯做成的那限位装置

由于X 轴要带到动整个Z 轴移动，上边所做的同步轮可调节机构可能会出现同步轮移动，造成同步带没有张紧，影响操作精度。可用

螺栓加螺母来定位。结构如X 轴图

现在只差同步带连接部分，这部分可带动整个Y 轴的移动

整体Y 轴的结构图与X 轴的结构图一样。

2.4 Z轴的设计

Z 轴与XY 轴不同, 行程较短且精度要求更高，故结构也完不一样. 传动用高精度的研麿滚珠丝杆可达到精度。若电机用弹性联轴器与滚珠丝杆连接，会造成Z 轴整体结构较长。可采用1：1的同步带传动。同步带设计的原理与XY 轴相似。滚珠丝杆装配易出现蛇形摆动。做用宽度较宽的没直线导轨或两条直线滑轨来起导向和平稳丝杆螺母的作用。传动示意图如下

图2.7 传动示意图

同样同步轮做成可调节结构，结构图如图2.8

图2.8同步轮结构图

丝杆与滑轨之间的连接是丝杠是否移动顺畅和是否达到精度要求的主要原因。因此他们之间的配合相当重要，连接块的厚度必须保持在+0.02之内。丝杆与滑块之间的连接示意图

图2.9 连接示意简图

图2.10 连接示意图

2.5 夹具机械设计

机械手抓取材料方式有很多，可以是电磁式的吸料，或真空式的吸料，可以直接用气爪夹起，也可以有机械方式夹起。此次设计主要是机械式的夹起。

2.5.1 确定手

根据设计要求设计出的手部结构如图所示：

图2.11手部结构图

图中F N 为手指对工件的夹紧力，F 为夹紧缸活塞杆的推力。

2.5.2 手部受力分析

经分析，手部受力图如图2-12所示

图2-12 机械手手部受力分析图

由图可知，手部结构对称，则 F 1=F 2

由∑F y =0 得

F 1' ＝2cos α 且F 1' ＝F 1

由∑M o 1(F ) =0 得

' ' F F F 1N N h=b 且＝F N

由几何关系有 h＝cos α

由上述等式可得：

2b c 12() F cos 2αF N FN ＝2b cos α 即 F= c

式中 b —手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离；

C —手指回转中心到滑槽支点之间的距离；

α—工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。

2.5.3 手部夹紧力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算（李允文，1994）：

F N ≥K 1K 2K 3G ＝1.5×1.02×4×0.98=5.93N 取FN =600N

式中：K1—安全系数，取K1＝1.5；

K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K2＝1.02；

K3—方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，K3＝4

G —被抓工件所受重力（N ），G ＝mg ＝0.1×9.8＝0.98N 。

则：

F 理论＝2b 2⨯100cos 2αF N ＝cos 230︒⨯600＝2250c 40N

F 实际＝F 理论η＝2250＝26470.85N

式中 η—手指传力效率，取η＝0.85。

2.5.4 夹具的互换性

只要把夹具换成感觉有测试探针的测试装置，便可做为测试机做用若加上震动装置及轨道和整位装置，便可做为排料机

总之。XYZ 三轴移动是这是机器的基础。可有较强的互换性

参考文献

[1] MISUMI公司.2011MISUMI 目录. MISUMI公司出版2011

[2] SMC公司.2011SMC 第一册. SMC公司出版

[3] 东方电机. 东方电机目录. 东方电机公司出版

[4] THK.2011THK目录.THK 公司出版

[5] 杜鑫. 机械设计基础.

[5] 谢云敏. 电气与可编程控制技术。上海交通大学出版社

[6] 刘建华. 机械设计课程设计指导. 化学工业出版社

致谢

在本论文的工作中，自始自终得到了新乡学院机电工程学院张国智老师的精心指导和亲切关怀。导师严谨的治学态度、严于律己宽以待人的做人风范是作者终身学习的榜样。另外导师们的课题组活跃的学术风气、学术观点与为人上的坦诚也深深的感染了作者，使作者获得了太多的启发，在此特表深深谢意！

在课题设计的整个过程中，庞姗老师一直给予了悉心的指导与帮助。在同她的合作中取得了很大的进步，同时她丰富的理论知识及实际工作经验、对待学术问题的科学态度令作者钦佩。在此表示由衷的感谢！在进行三轴机械手机械结构设计过程当中，和我一起研究探讨的舍友表示感谢。也对这三年来给予了我各方面极大支持及鼓励机电工程学院老师表示感谢。最后向其他关心我支持我的老师、朋友、同班同学一并表示感谢。

新乡学院

2012届毕业设计

小型三轴机械手

论文作者姓名：__ 臧俊涛 __

所在院系：__机电工程学院_____

所学专业：机械制造及其自动化

指导老师：_ 张国智 _

论文完成时间：_20121年 5 月 12 日___

内容摘要 ................................................... 2

关键词 ..................................................... 2

Abstract ................................................... 2

Key word ................................................... 3

前言 ....................................................... 4

1．工业机械的发展 .......................................... 4

1.1机械手在生产中的应用 ................................. 6

2 .三轴机械手的整体设计方案 ................................ 6

2.1 整体结构设计 ........................................ 7

2.2 X轴设计 ............................................. 8

2.3 Y轴设计 ............................................ 11

2.4 Z轴设计 ............................................ 13

2.5 夹具机械设计 ....................................... 15

参考文献 .................................................. 20

致谢 ...................................................... 21

关键词：机器手效率简单适应性

daptability, so it continues to transform the production of medium and small batch production of a wide range of references. Key word: a manipulator，Efficiency; Simple; adaptability

前言

机机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

1．工业机械的发展

1.1工业机械手的起源

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主

从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自

[]产品动化。 4

德国机器制造业是从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。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理铸铝齿轮箱毛刺等。

1.2工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可

[]广泛以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 5

2. 三轴机械手的总体设计方案

2.1整体结构设计

机械手即为三轴。确定为X 轴、Y 轴、Z 轴。X 轴为水平方向有效行程为300

Y 轴为水平面上垂直于X 轴的方向有单效行程为300，Z 轴为竖直方向垂直于XY 轴，有效行程为100。结构图如下图所示

图2.1 整体结构

2.2 X轴设计

电机选择

由于扭距不是很大，选用200v.200w 的步进电机即可

由于X 轴行程较长又考虑到成本决定采用同步皮带传动。为了方便编程和控制系统的分辨率较高可用1：1的传动比。

同步轮选用用传动如下

图2.2传动示意图

由于同步皮带需要张紧和为了装配方便。故一个同步轮做成可以调节即可。固定方式可做成如下结构。初步确定中心距为375

为了平稳可用两条直线滑轨支持，同步带位于两条滑轨之间。两条滑轨中心距为65。滑轨选用示间图如下

图2.3 示间图

每台机器都要整机复位，选用一个欧母龙的槽形光电感应器和不锈钢割制的1.5厚的感应片就可满足复位要求

为了防止撞机和滑块滑出滑轨故在导轨一端做一个用聚氨酯做成的那限位装置

图2.4 定位结构图

现在只差同步带连接部分，这部分可带动整个X 轴的移动整体X 轴的结构图如下

图2.5 整体X 轴的结构图

2.3 Y轴设计

Y 轴主要放较轻的产品，结构与X 轴相似，不用定位螺丝定位即可电机选择

由于扭距不是很大，选用200v.200w 的步进电机即可

由于X 轴行程较长又考虑到成本决定采用同步皮带传动。为了方便编程和控制系统的分辨率较高可用1：1的传动比。

同步轮选用用

传动和X 轴相同如下

图2.6 传动示意图

由于同步皮带需要张紧和为了装配方便。故一个同步轮做成可以调节即可。固定方式可做成如下结构。初步确定中心距为375。

为了平稳可用两条直线滑轨支持，同步带位于两条滑轨之间。两条滑轨中心距为65。滑轨选用奇骏公司的EG15(高度为15，EG 为型号)

每台机器都要整机复位，选用一个欧母龙的槽形光电感应器

和不锈钢割制的1.5厚的感应片就可满足复位要求

为了防止撞机和滑块滑出滑轨故在导轨一端做一个用聚氨酯做成的那限位装置

由于X 轴要带到动整个Z 轴移动，上边所做的同步轮可调节机构可能会出现同步轮移动，造成同步带没有张紧，影响操作精度。可用

螺栓加螺母来定位。结构如X 轴图

现在只差同步带连接部分，这部分可带动整个Y 轴的移动

整体Y 轴的结构图与X 轴的结构图一样。

2.4 Z轴的设计

图2.7 传动示意图

同样同步轮做成可调节结构，结构图如图2.8

图2.8同步轮结构图

图2.9 连接示意简图

图2.10 连接示意图

2.5 夹具机械设计

机械手抓取材料方式有很多，可以是电磁式的吸料，或真空式的吸料，可以直接用气爪夹起，也可以有机械方式夹起。此次设计主要是机械式的夹起。

2.5.1 确定手

根据设计要求设计出的手部结构如图所示：

图2.11手部结构图

图中F N 为手指对工件的夹紧力，F 为夹紧缸活塞杆的推力。

2.5.2 手部受力分析

经分析，手部受力图如图2-12所示

图2-12 机械手手部受力分析图

由图可知，手部结构对称，则 F 1=F 2

由∑F y =0 得

F 1' ＝2cos α 且F 1' ＝F 1

由∑M o 1(F ) =0 得

' ' F F F 1N N h=b 且＝F N

由几何关系有 h＝cos α

由上述等式可得：

2b c 12() F cos 2αF N FN ＝2b cos α 即 F= c

式中 b —手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离；

C —手指回转中心到滑槽支点之间的距离；

α—工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。

2.5.3 手部夹紧力的计算

手指对工件的夹紧力可按下式计算（李允文，1994）：

F N ≥K 1K 2K 3G ＝1.5×1.02×4×0.98=5.93N 取FN =600N

式中：K1—安全系数，取K1＝1.5；

K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K2＝1.02；

K3—方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，K3＝4

G —被抓工件所受重力（N ），G ＝mg ＝0.1×9.8＝0.98N 。

则：

F 理论＝2b 2⨯100cos 2αF N ＝cos 230︒⨯600＝2250c 40N

F 实际＝F 理论η＝2250＝26470.85N

式中 η—手指传力效率，取η＝0.85。

2.5.4 夹具的互换性

只要把夹具换成感觉有测试探针的测试装置，便可做为测试机做用若加上震动装置及轨道和整位装置，便可做为排料机

总之。XYZ 三轴移动是这是机器的基础。可有较强的互换性

参考文献

[1] MISUMI公司.2011MISUMI 目录. MISUMI公司出版2011

[2] SMC公司.2011SMC 第一册. SMC公司出版

[3] 东方电机. 东方电机目录. 东方电机公司出版

[4] THK.2011THK目录.THK 公司出版

[5] 杜鑫. 机械设计基础.

[5] 谢云敏. 电气与可编程控制技术。上海交通大学出版社

[6] 刘建华. 机械设计课程设计指导. 化学工业出版社

致谢

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