目   录

前  言

第一章 明确设计要求

1.1 机械手的发展及其应用

1.2机械手的组成

1.3 机械手要求

1.3.1被抓取对象的情况

第二章 传动方案的确定

2.1方案确定

2.2控制系统简介

第三章   基本参数的确定

3.1  参数确定

3.1.1  抓重（即握力）：

3.1.2  自由度、工作行程及转角：

3.1.3  工作速度：

3.1.4  定位精度：

第四章  机械手机械结构设计与三维建模

4.1  结构设计

4.1.1  气缸的设计与三维建模

4.1.2 支架的机构设计与三维建模

4.1.3  手爪的结构设计与三维建模

4.1.4  弹簧片的结构设计与三维建模

4.1.5 驱动板的结构设计与三维建模

4.1.6  机械手的总装配与三维建模

总结

参考文献

致谢

前  言

众所周知，无论对哪个国家而言，机械制造业都属于较为基础的行业，它一方面为国家工业提供技术与装备，另一方面促进了国民经济的发展。因此它的发展水平可以有效衡量国家工业化程度。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，我们更应当从专业性角度出发，设计出有利于民生发展的机械用具。经过精挑细选、深思熟虑之后我选了应用前景广、设计较为细化的机械手作为我的论文课题。

 从定义上来讲，所谓机械手，也就是模仿人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的一种机械设备， 并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成为了制造业生产大军中不可或缺的一份子。经过数十年的发展，并且是迅速的发展，机械手（机器人）已经成为了一门学科。它包含了各种领域，可以说目前涉及领域最广的一种学科，如果的高科技机械手一般能够涉及到人体工程学，工程力学，材料力学，电力工程学，生物学等等几十个领域。机械手的技术也就指的是我国几十个专业领域的技术水平，所以可以肯定的说，机械手在某种程度上就直接代表了一个国家科技发展的程度。

从最初的机械手的产生开始，其实其结构相当的简单，仅仅涉及到了一两个专业领域，并且有很大的局限性，专用性这个特点在那个时段可以说是机械手最大的缺点。

如今的机械手，在科技发展以及工业急速发展所产生需求的共同催生下，机械手变得越来越复杂，专用性这个特点不再成为机械手的发展劣势，甚至在一些行业，专用性必不可少，不可替代，因此可以看出，机械手的存在是多么的重要。

第一章 明确设计要求

1.1 机械手的发展及其应用

 我国在二十世纪末期制定了有关工业机械手的研究计划，发展到如今，我国已经完全掌握了相关的技术，能够自主的去研发各种类型的机械手，不管是机械结构还有软硬件都运用自如，如今工业生产中最为常见的机械手按照功用可以分为：搬运、组装、分配、焊接机械手等等。尽管我国机械手的应用已经十分的广泛，但是跟国际发达国家相比，差距真的不是一点两点，我国对工业机械手的研究起步比较晚，中国的其他附属技术同国外也存在很大差距，这两点是导致我国生产的机械手与其他国家机械手存在这么大差距的主要因素。我国近些年来才开始对机械手有了更多的重视，但是目前还未生成一套完善的机械手产业，发展规模以及投资力度将会是我国机械手崛起的重要依托，同时我国高科技技术的研究发展也会为我国的机械手发展保驾护航[3]。

 机械自动化行业发展的历史并不长，但是目前自动化产业的重要程度不可忽视，自动机械手的出现显的十分迫切。我国二十世纪末二十一世纪出，开始研究专用机械手，直到2008年，我国自主研究的第一台重量级机械手出现，并且将其投入我国国产汽车品牌奇瑞汽车的生产线当中，效果显著。这是我国的第一代机械手，接着经过了一年时间的改善以及优化，到第二年，二代机械手也成功问世，在一些技术水平上达到世界一线水平，但某些方面，还存在很大的差距。因此我国还需要加快自主研发的脚步，加大投资力度，引进或者培养专业的技术人员，才能最快速度的赶上我们与其他国家在机器人技术研发领域之间的距离[4]。

1.2机械手的组成

机械手跟机器的一样，都是有四个大部分来组成，其依次是：控制机构、执行机构、电气控制机构和感应检测机构。彼此共同组成了一个完整的机械手，他们彼此之间的联系如下图1-1所示。

图1-1 组成方框

本文所设计的机械手，主要完成的是对其机械结构的设计，也就是四个部分中的执行机构。

1.3 机械手要求

1.3.1被抓取对象的情况 

在生产实际中，需要抓取一些易变形的材质相对脆弱的零件，并且要保护零件的尺寸精度和表面精度，需要用到弹性机械手。同时对夹持的零件也有一定的要求。直径大于25mm小于45mm的圆柱或者圆盘类零件。

本设计的机械手只是整个完整机械手装置的一个末端手爪，一个自由度。可以用于不同的机械手上面，以便完善其他机械手的可夹钳范围，拓展其功能，就像螺丝刀的头部可随意更换一样，可拆类。这样能够大大降低成本。降低资源浪费，这将是以后机械手发展趋势。

第二章   传动方案的确定

2.1  方案确定

机械手要搬运的工件（圆柱类），重量为在0-0.5kg范围类。

机械手的驱动方式根据生产工艺过程、生产节拍和工作环境定为气压传动。     

运动轨迹：工作时，气缸1推动驱动板2（它的中部装有连接装置3），通过连接装置及连杆3带动手爪进行开合运动，与正常机械手手部不同的是，该机械手还装有一个弹簧片，起到缓冲和避免与较硬的手爪直接触碰而导致零件损坏。所以通过实现夹取零件和放下零件。其运动频率根据实际运用的场合，例如生产线等进行程序设计。本设计暂不需要设计位置检测装置以及控制电路PLC设计。总的结构原理图如图2-1所示。

图2-1 运动原理图

2.2控制系统介绍

本文由于个人能力问题，不对机械手的控制部分进行设计，此处是简要的介绍一些控制系统。

自动化运动中，常见的控制方案有以下几种：

（1）通过使用独立电子元件进行控制：电子技术水平的飞速发展，造就了电子制造业的高效智能以及成本低廉化的现象，电子元器件的价格远飞以往贵的触不可及，所以采用电子元器件实现系统控制，在成本上有一定的优势，很多时候，我们所能买到的电子元器件均已经焊在了电路板中，携带和固定都十分的方便，不过，就焊接这方面，就已经存在了弊端，由于是焊接，所以直接导致了系统功能拓展实现没那么容易，需要专业的技术人员才能对其进行维修保护，因此，随着时间的推移，该类控制方式已经逐步的被人们所摒弃，不过在二十世纪以及二十一世纪初期，此种控制方式可谓是红遍大江南北。这就说明了中国科技产业的发展。

（2）采用微控制器来实现的控制方式：微控制器说白了就是通过使用单片机在加上一些外围的辅助电路实现控制功能，不过和第一个控制系统一样，其也是采用的是电路板焊接的形式，不过其优点在于，单片机可以修改编写的程序，随时进行功能化的扩展，

但是其缺点也随之而来，单片机对环境比较挑剔，并且容易被电磁辐射以及各种振动所干扰，比较容易出现问题，还有修改程序，专业术语叫做语言开发，需要专业人士才能对其进行修改，用时还需要一定的设备辅助，另外单片机有着通用性差的问题。和第一点的控制方式一样，微控制器实现控制的方式成本也是比较低的，并且有着可运行负载逻辑还能实现自动运算的能力，但是不适合用于较为复杂的工作环境当中去。

（3）通过plc技术实现控制：该控制方式实际上是综合了第一点和第二点控制方式的有点，plc技术控制简单，维修也比较方便，plc也称之为可编程控制器，该装置有着很好的抗干扰的能力，通过连接器就可以进行拓展，直接通过辅助的编程软件就可以对控制系统进行设计。

本文虽然不对控制系统进行设计，不过机械手运用最为广泛的最受欢迎的控制系统设计就是采用PLC控制的方式来完成。

图2-2 行程图

    如图2-2所示为机械手的自由度运动行程图，后面章节会对其尺寸和行程，结构进行详细的计算和设计。本文设计机械手原理相对比较简单，所以着重在于对其形状结构配合之间的合理的运算以及三维仿真运动模拟进行校核。

第三章   基本参数的确定

3.1  参数确定

机械手的基本参数有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（或转角），工作速度和定位精度。

    夹钳开和角度：0度--110度

    定位方式：感应装置（暂不设计）

    驱动方式：气压

控制方式:点位控制（暂不设计）

3.1.1  抓重（即握力）：

抓重系指机械手所能搬运物件的重量。抓重可根据被抓取物件的重量并考虑适当的安全系数来作决定。考虑带手臂结构强度等因素，安全系数K为2.5。

3.1.2  自由度、工作行程及转角：

      本设计为末端机械手，及手部抓取部分，自由度即为手爪开合运动。工作行程为气缸直线运动30mm转化成手爪0度到110度的张合运动。

3.1.3  工作速度：

由于该机械手只有一个自由度，所以其工作速度就是机械手的手爪抓取工件的速度，其自由度的实现是由一个单活塞杆双作用式气缸来实现的，一般气缸的运动速度可以通过节流阀进行调节，本设计的初衷就是用来夹持较为脆弱的零件，所以按照正常的气缸运行速度完全不符合设计要求，故需要在气缸工作行程及伸出活塞动作的进气口外端安装节流阀，其具体调节的参数根据实际需求进行调节。

3.1.4  定位精度：

机械手的定位精度是由加工工艺要求、机械手本身的结构特点（如制造精度、结构刚性）、抓重、工作行工作速度以及驱动、控制方式和缓冲定位方式诸因素所决定。但是，加工工艺要求是主要的因素。设计机械手时，应力求保证各种不同的加工工艺对定位精度的要求。

第四章    机械手机械结构设计与三维建模

4.1  结构设计

机械手的机械结构是手爪、气缸、固定架、驱动板等组成。

    弹性机械手的主要结构如图3-1：1.气缸体2.活塞3.连接板4.支架5.手爪6.气销、7.螺丝、8.弹性片、9.驱动板

图3-1 结构图

机械手很多部分都可以去市场上买，例如气缸，螺丝等。利用现有的资源，比较成熟的技术，减少成本，提高经济性。

4.1.1  气缸的设计与三维建模  

机械手的驱动装置是气缸，选择气缸需要根据其负载大小，工作行程，工作条件以及工作方式来选择，常见的气缸种类有单作用是气缸，活塞式气缸，双作用式气缸，特殊气缸，组合气缸等等几个大类，如表4-1所示：

表4-1 气缸种类表

本设计的机械手结构相对比较简单，其运动原理也不复杂，主要是夹持不超过0.5千克的圆柱类物体，所以也不需要承载大载荷，综合考虑选择结构最为简单的单作用式气缸，由于气缸来回都需要其本身完成，所以需要采用单活塞双作用式气缸及普通气缸。如图2-1所示；

选好气缸型号之后需要确认气缸的直径尺寸还有长度。根据行程图可以知道气缸的运动行程是30mm。一般气缸主要是由缸体和活塞杆和活塞等组成的。活塞杆与活塞配合后在缸体里边的运动行程为30mm就符合要求。

图4-2 缸体结构图

缸体的结构图如图4-2所示，需要确定尺寸1的长度。一般活塞的厚度如图4-3所示的15mm。通过计算可以得出缸体总长度为85mm.

图4-3 活塞

缸径的选择，活塞杆的杆径为8mm，通过查表4-2 可以得出，气缸缸体的直径为28mm.

气缸压力根据具体夹取工件的质量来定，其计算公式如下：

气缸压力计算 

推力：Ft(N)=0.25TDDP 

拉力：Fl(N)=0.25T(DD-dd)P 

D:活塞直径 d活塞杆直径 P:工作压力(MPa）

气缸的proe三维建模如图4-4所示：

图4-4 气缸部件结构图

4.1.2 支架的机构设计与三维建模

   支架是指机械手的一个总体的固定支架，所以支架的结构直接影响机械手的部分外观，为了减轻机械手的质量，所以采用铝合金材料。设计结构如图4-5所示。

图4-5 支架零件图

     图中两个直径为8的孔是用来安装销柱的，两空的中心距为60mm，这个参数直接影响到夹钳的开合位置和角度。通过三维建模模拟计算得出这一较为合理的参数。支架的厚度在达到设计要求的同时尽量薄一点，但考虑到需要在支架上面安装销和气缸，为了便于安装和安装的稳定性，选择两侧厚度分别为8mm和7mm。支架侧板上面有一个14mm的孔，其目的是便于气缸活塞杆的伸出。支架板中间开V槽是为了避免在机械手工作过程中有干涉的影响。Proe三维建模如图4-6所示：

图4-5 支架

4.1.3  手爪的结构设计与三维建模

   手爪就是夹持零件的部件，其结构直接关系到夹持零件大小以及夹取范围。手爪采用的常见的爪钳形式，较常见爪钳没有太大区别，但在钳身端面部分有两个螺纹孔，用来安装弹性片的。该夹钳总长为113毫米，回转中心以外，及夹钳钳口长度为75mm,该部分为夹持端。整个钳身的总体厚度为12mm，结构如图4-6所示。三维建模如图4-7所示。

图4-6 夹钳零件图

图4-7 夹钳三维建模

     为了减少加工量，所有销孔尺寸均为8mm,采用如图4-7-1所示的销进行固定。

图4-7-1 销

4.1.4  弹簧片的结构设计与三维建模

弹簧片顾名思义是有弹性的金属材质，生活中常见金属类弹性材料弹簧片可以选用磷青铜、锡青铜、65mn、55Si2Mn、60Si2MnA、55SiMnVB、55SiMnMoV、60CrMn、60CrMnB、302、316等牌号的扁钢带。本设计选用65mn,结构设计如图4-8所示：弹簧片的宽度与钳宽度一致，与夹钳空隙为8mm,足够其弯曲变形。厚度为2mm,太薄达不到设计要求，太厚的话完全起不到作用，所以设计采用2mm宽度。弹性片通过螺丝与夹钳进行连接。

    图4-8 弹簧片                螺丝

弯曲受力分析图

4.1.5 驱动板的结构设计与三维建模

    驱动板是机械手的中间体，一端直接连接活塞杆，活塞杆根据查表采用杆端螺母的方式连接，如表4-3所示。另一端通过零件连接片通过销的串联进行固定。间接连接手爪（夹钳）。如图4-9所示.驱动板设计成梯形是为了避免运动干涉。连接片两个销的尺寸尤为重要，它是将气缸的直线运动转化成手爪的开合运动很重要的一个媒介，尺寸计算准确才能保证气缸30mm行程与手爪0至110度角度的衔接。计算方式比较简单，如图4-10所示。只要计算两个极限位置时两个销孔的位置，就能确定连接片中心孔距尺寸，最终得出的尺寸为22mm。

表4-3 安装形式表

驱动板                                  连接片

图4-9

4.1.6  机械手的总装配与三维建模

   三维建模装配和模拟仿真是最能表现出设计的合理性和完整性。通过添加配合关系组装机械手的各个部件。效果图如图4-11所示。经过多次的建模分析，最终确定了所有零件的结构尺寸和外形。

图4-11 总装图

图4-12 路线图

    图纸中画出了机械手的工作的行程范围，其张合的区间主要受制于气缸的工作行程，根据设计的要求，需要抓取的零部件的外形尺寸在25至45毫米之间。因此要不是其专用性，这就成为了该机械手的弊端了，或者说缺陷，就是其工作行程很小，不过在特定条件下，这个是完全符合要求的。

总结

论文写到这个地方，也就代表着我的毕业设计完成了， 辛苦了那么长时间，算是松了口气，这些的毕业设计的写作，我前前后后翻找了二是基本书籍，还有通过网络资源查找到资料更是不计其数，这段时间接触到的知识太多了。说句实在话，这是我整个大学里，最用心的一次，在进行毕业设计写作期间，我才深刻的感知到我对知识掌握度完全不牢靠，什么都是靠查找，整个写作的过程我不知道自己遇到了多少困难，都有点打退堂鼓了，不过还好我坚持下来了，因为我得到了老师的很多帮助，

当我确定所选题目后，从最简单的资料查阅，和了解各个步件开始，到确定方案并设计，对于这次设计与制作可以说是成功的。在这次毕业设计与制作中让我的专业知识得到了巩固，也在老师和同学的帮助下学到了一些新的知识，也让我对于机械手的设计有了一个大概的了解 。整个的毕业设计与制作，通过老师的讲解和同学的帮助，和对设计与制作中出现的问题，让我受益匪浅。

参考文献

[1] 徐元昌.工业机器人[D].北京:中国轻工业出版社,2012.

[2] 张建民.工业机器人[D].北京:北京理工大学出版社,2011.

[3] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略.机器人技术[J]2001,4.

[4] Shmijior Wemie. Mechanisms And Machine Theory Mechanical industry press No. 2004 FESTO Pneumatic. Esslingen.

[5] 金茂青,曲忠萍,张桂华.国外工业机器人发展势态分析.机器人技术与应用[J]2014, 2.

[6] 王雄耀.近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用[J].2015,5.

[7] 周伯英.工业机器人设计[M].北京:机械工业出版社,2009.

[8] 龙立新.工业机械手的设计分析.焊工之友[D].2009, 3.

[9] 王承义.机械手及其应用[D].北京:机械工业出版社,2012.

[l0] 工业机械手设计基础.天津大学《工业机械手设计基础》编写组编[J].天津: 天津科学技术出版社,2009.

[1l] 李哲.冲压床自动上、下料机械手的研制,研究与设计.2007, 5.

[12] 赵丽萍.气动机械手应用事例分析.上海轻工业高等专科学校学报,2015,

[13] 严学高,孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社,2014.

[14] 张新华.冲床自动送料机的原理及设计.锻压技术,2013, 5.