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工学院
-JX-SJ
080202-115
本科毕业设计
一个吸盘式搬运机械手设计和研究
学 院
机械工程学院
专 业
机械设计制造及其自动化
学 号
学生姓名
周成
指导老师
张保恒 高威
提交日期
年 05 月 23 日
诚 信 承 诺 书
本人郑重承诺和申明:
我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校相关要求,恪守学术规范,此毕业设计中均系本人在指导老师指导下独立完成,没有剽窃、剽窃她人学术见解、思想和结果,没有篡改研究数据,凡包含其它作者见解和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿负担一切责任,接收学校处理,并负担对应法律责任。
毕业设计作者署名：
年 月 日
摘 要
依据工厂实际环境和自动化设备布局，设计了六个自由度关节型吸盘式搬运机械手，它基础能够抵达空间任意位置，实现物品正确转移。经过查阅相关资料，结合各方面原因，确定了机械手总体设计方案，经过相关技术参数查阅，确定了手臂、吸盘等参数标准化。在此基础上经过采样、分析、计算、校验，确定了各部件结构尺寸，和电机、减速器规格选择。
经过solidworks软件，依据相关尺寸大小，绘制出机械手三维实体模型，而且绘制出对应工程图。对吸盘机械手进行运动学分析及手臂位移、速度、加速度等运动仿真，模拟出机械手运动轨迹，绘制出机械手运动参数曲线图，并能够实现物品快速正确转移到目标地动作。
关键词：吸盘式关节型机械手；机器臂结构分析；结构设计；三维设计；运动学仿真
ASTRACT
According to the layout of the actual plant environment and automation equipment, the design of the six degrees of freedom articulated suction cup type manipulator, which can basically arrive at arbitrary location in space, to realize the accurate transfer. Through access to relevant information, combined with various aspects of factors, to determine the overall design scheme of the manipulator, through access to relevant technical parameters to determine the arm, standardization of disk parameters. On this basis, through sampling, analysis, calculation and validation, to determine the structure size of each component, and the motor, deceleration device specification.
By SolidWorks software, according to the size related to the size of the draw the three-dimensional entity model of the manipulator, and draw the corresponding engineering drawings. The manipulator sucker for kinematics analysis and arm of the displacement, velocity and acceleration of motion simulation. Simulation of the trajectory of the manipulator draw manipulator motion of parametric curves, and can realize the goods quickly and accurately transferred to the destination of the action.
Key words: Articulated manipulator；Robot arm structure analysis；Structure design；Three-dimensional design;Kinematics simulation
目 录
1 绪论 1
引言 1
关节机械手研究概况 2
国外研究现实状况 2
中国研究现实状况 2
关节机械手总体结构 3
关键内容 4
本章小结 5
2 总体方案设计 6
机械手工程概述 6
工业机械手总体设计方案叙述 6
机械手机械传动原理 7
机械手总体方案设计 8
本章小结 9
3 机械手大臂部结构设计 10
大臂部结构设计基础要求 10
大臂部结构设计 10
大臂电机及减速器选型 10
减速器参数计算 11
15
柔轮齿面接触强度计算 15
柔轮疲惫强度计算 16
本章小结 20
4 小臂结构设计 21
腕部设计 21
手腕偏转驱动计算 21
手腕俯仰驱动计算 32
电动机选择 32
小臂部结构设计 34
小臂电机及减速器选型 34
传动结构形式选择 35
几何参数计算 35
凸轮波发生器及其薄壁轴承计算 36
柔轮齿面接触强度计算 37
柔轮疲惫强度计算 37
轴结构尺寸设计 38
轴受力分析及计算 39
轴承寿命校核 40
本章小结 42
5 机身设计 43
步进电机选择 43
计算输出轴转矩 43
确定各轴传动比 45
传动装置运动和动力参数 45
齿轮设计和计算 48
高速级齿轮设计和计算 48
低速级齿轮设计和计算 52
轴设计和计算 55
输入轴设计和计算 55
中间轴设计和计算 58
输出轴设计和计算 61
轴承校核 63
输入轴上轴承寿命计算 63
中间轴上轴承寿命计算 64
输出轴上轴承寿命计算 65
键选择和校核 67
键选择 67
键校核 67
机身结构设计 68
机身箱体材料选择 68
机身结构设计及制造工艺 68
本章小结 68
6 基于solidworks吸盘式机械手三维设计和装配仿真 69
69
关键零件三维实体模型创建及装配 69
基于solidworks运动学仿真部分操作步骤及仿真结果 72
本章小结 74
总结和展望 76
致 谢 77
参考文件 78
1 绪论
引言
机器人，经典机电一体化产品，多关节型机器人机械手是研究一个热点领域。在机械、电子、信息理论、人工智能、生物学和计算机等领域中，得到了极大应用和推广，它含有速度快，效率高，应用范围广等多特点，而且含有宽广市场和发展空间。
1959年，世界上第一台工业机器人诞生，机器人开辟了新发展时代。多关节机器人科学技术飞速发展，研究和应用发展。世界著名机器人教授，加藤一郎教授，在早稻田大学说：“一个机器人最大特点，你有需要它功效”不管是自动化道路脚下程度有多高，这全部是复杂动态系统。伟大发明家托马斯·爱迪生曾说过这么一句话：“机器人，对环境是有益。”它有很好适应性，它含有很较高环境要求。能够打开无限宽广前景，有必需扩大机器人应用领域。
以下关键是设计机械手原因和目标：替换了人类劳动，解放了人双手，提升了生产率，而且它们是开发一个系统，方便它能够在很多结构性和非结构性相配合，更关键是，使用这些功效，像人性化服务，需要内在人性化、系统化。在这方面研究，能够扩大研究机器人方向和研究机器人市场，机器人，如智能机器人，能够起到人工智能和服务人类关键作用。
关节机器人，世界上没有统一分类，定义是不一样。对于近期标准化联合国国际组织已经经过美国协会定义为关节机械手机械人：多关节机器人，搬运为主料，转移为目标，为了多种工作完成，经过改变动作程序，还需要再编程多功效操作装置。外国定义和我们关节型机器人有不一样参考定义。
多关节型机器人，独立主体能够放在任何地方，动作自由度，程序能够灵活地改变，高度自动化机器人。它可用于汽车喷漆、涂料、和货物搬运、码垛等方面。
关节型机器人臂和主体，相对于人，能够携带重物，能够有一个较快移动速度，有很高定位精度，它是自动，能够实施多种操作，它能够是一个外部信号实施单元。
多关节型机器人是在计算机控制下可编程自动化机器。能够提升产品质量和劳动生产率，在生产过程，多关节机器人是自动化，在经过改善，改善工作条件下，它是降低了劳动强度有效手段。机器人诞生
和发展，即使只有30多年历史，不过在一个国家经济领域中，机器人已经应用于民用工程中，显示了强大生命力，未来发展不可估量，需要我们深入努力，开创美好未来。
关节机械手研究概况
国外研究现实状况
人类和动物运动原理第一个系统研究使迈布里奇发明了摄影机跟单，即设定触发相机，并在1877年她成功地验证了她假定。以后，使用这种方法相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦也深入研究，从人类和动物动力机制角度看，并提出理论很形象化描述人类和动物运动机制。
真正研究机构运动大多是全方面研究，系统于1960年推出至今，比较完整理论体系形成，并在部分国家，如日本，美国和苏联已成功开发，能够是静态或动态多臂枢轴原型得到发展。
在20世纪60年代和70年代，武装多搬运运动控制理论产生三种类型控制方法这是很关键，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制方法对全部类型搬运机械手全部是适用。国家控制是在1961年提出模型参考，于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇正式提出，该算法是由著名南斯拉夫研究所米哈伊尔•罗多搬运运动学教授鲍宾Vukobratovic博士在1969 - 1972年教堂中提出。这三种类型控制方法和她们之间存在内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，而且该控制算法得到了证实和应用。
在搜索步态中，苏联Bessonov和Umnov定义“最好步态”，Kugushev和美国Jaro-shevskij定义自由步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多和腿多机器人。在这些中，对于自由路径步骤，有她条件和规则。假如地形是很粗糙，所以运动臂多搬运，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应经过步骤方便攀登者去经过部分优化标准来确定哪个是所谓自由速度。
稳定性研究手臂动作多搬运，美国Hemami，该提议稳定性和系统控制简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它能够被解释为在换能器存在问题中为了向前运动。另外，为了降低考虑，Hemami在研究手臂运动多搬运“降低型”问题上进行了复杂性研究。
以前我们指出了系统Vukobratovic还能进行能量分析，但它力量是有限，搬运随时间整个系统改变，并没有太多包含这个问题。不过在她研究中，Vukobratovic得出一个有用结论，即平滑姿态，人型系统所消耗功率就越少。伴随社会发展，需求增加，和实际问题待处理，国外相继研究出多种机器人，而且已经很好地应用于各个领域，得到了很好地发展。
中国研究现实状况
中国现在机器人起步较晚，中国自1980年以来，在体育领域多臂机器人共同研究和应用下。 1986年，国家开启了“计划纲要”研究多动搬运臂，中运动臂产生于1987年。现在也在主动研发，中国移动手臂研究和开发关键和高校和科研院所合作。
因为中国机器人产业还很微弱，机器人研究仍然任重而道远。中国市场上机器人总共拥有量近万台，%，其中完全国产机器人行业集中度仅为占30%，其它皆为从日本、美国、瑞典、德国、意大利等20多个国家引进。究其原因，很大程度在于自主品牌不够，发展壮大自主品牌及其自动化成套装备产业成为当务之急，因为机器人是最经典机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为优异装备制造业支撑技术和信息化社会新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越关键作用。国外教授估计，机器人产业是继汽车．计算机以后出现一个新大型高技术产业。伴随中提升，机器人市场也会越来越大，这就给机器人研究、开发、生产者带来巨大商机，现在中科院常州中心常州机械电子工程研究所致力于机器人及智能装备技术开发。
中国机器人市场竞争越来越猛烈，中国制造业面临着和国际接轨、参与国际分工巨大挑战，加紧机器人技术研究开发和生产是我们抓住这个机遇机会。现在，国际制造业中心正向中国转移，用信息化带动工业化、用高新技术改造传统产业已成为中国制造工业发展必由之路。中国要大力发展制造业，必需科技创新，和时俱进，开创美好未来，未来机器人发展是不可估量，含有很好宽广前景。
这次研究吸盘式搬运机械手关键由类似人手和臂组成，它可替换人繁重劳动以实现生产机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，所以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。