摘 要 根据微车后桥桥壳零件生产线的总体布局，针对市面上现有搬运机械手存在的缺点与不足，并借鉴国内外最新研究成果，以桥壳零件的加工工序以及具体加工工位和加工要求为基础，设计出了一个专用机械手从而实现了桥壳零件在生产线上的装卸工作。 本文对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的坐标形式、自由度及相关技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构、腕部回转机构、小臂升降机构、大臂伸缩机构和机身回转机构，并完成了各机构所用驱动气缸的选型和计算。借用SolidWorks软件对机械手的整体结构及各个零部件进行了三维建模，并应用ANSYS Workbench软件对机械手关键零部件进行了静力学分析、强度分析和模态分析。设计出了机械手的工作流程和运动形式，并在软件中实现了机械手在工作状态下的运动仿真。 关键词：搬运机械手；结构设计；气缸选型；三维建模；有限元分析；运动仿真 Abstract According to the overall layout of the mini-vehicle rear axle housing part production line, concerning the shortcomings and deficiencies of existing handling manipulators on the market, and drawing on the latest research results at home and abroad ,in this paper, a special manipulator is designed based on the machining process of the axle shell part and the specific processing station and processing requirements, so that the loading and unloading of axle housing parts on the production line is realized. This article has carried on the overall plan design to the manipulator, and determined the manipulator's coordinate form, the degree of freedom and the related technical parameter. At the same time, the gripping type hand structure, wrist rotation mechanism, lift arm, telescopic arm and body rotation mechanism of the manipulator are designed, and the selection and calculation of the drive cylinder used by each mechanism are completed.Solidworks is used to perform three-dimensional modeling of the robot's overall structure and its components. ANSYS Workbench is used to perform static analysis, strength analysis and modal analysis on the key components of the manipulator. The workflow and movement forms of the manipulator are designed, and the manipulator's motion simulation under working condition is implemented in the software. Key Words：handling manipulator；structural design；cylinder selection；3D modeling；finite element analysis；motion simulation 目 录 摘 要 I Abstract II 第1章 绪论 1 1.1 课题背景及意义 1 1.2 机械手的组成和分类 2 1.2.1 机械手的组成 2 1.2.2 机械手的分类 3 1.3 机械手国内外发展现状 4 1.4 机械手发展前景及方向 5 第2章 机械手总体方案设计 6 2.1 机械手的生产线布局 6 2.2 机械手的坐标形式与自由度 7 2.3 驱动机构的选择 8 2.4 机械手的整体结构及工作流程 8 2.5机械手的相关设计参数 9 第3章 机械手传动部件的结构设计 10 3.1 手部夹紧机构的设计 10 3.2 腕部回转机构的设计 12 3.3 小臂升降机构的设计 12 3.4大臂伸缩机构的设计 15 3.5机身回转机构的设计 16 3.6本章小结 17 第4章 动力部件的计算与选型 18 4.1 手部夹紧气缸的计算 18 4.1.1 手部结构的应力分析 18 4.1.2 夹紧力的计算 19 4.1.3 驱动力的计算 19 4.1.4 气缸内径的选择 20 4.2 腕部回转气缸的计算 22 4.2.1 腕部回转力矩的计算 22 4.2.2 回转气缸内径的计算 25 4.2.3 腕部回转气缸的选型 26 4.3 臂部伸缩气缸的计算 27 4.3.1 驱动力的计算 27 4.3.2 缸径及活塞杆的选择 29 4.3.3 缸筒壁厚的设计计算 30 4.3.4 伸缩气缸的选型 31 4.4 机身回转气缸的计算及选型 32 4.5 本章小结 34 第5章 基于ANSYS Workbench的机械手有限元分析 35 5.1腕部结构分析 35 5.2立柱结构分析 36 5.3机械手模态分析 39 5.4本章小结 42 第6章 机械手运动设计 43 6.1机械手的工作流程 43 6.2基于SolidWorks的机械手运动仿真 45 6.3本章小结 48 第7章 总结与展望 49 参考文献 50 致 谢 52 第1章 绪论 所谓机械手，就是当操作者给它输入事先编好的程序后，它能够读取指令之后按要求完成相应的动作。它通过模仿人类手臂的某些动作和功能，在恶劣和有害的生产环境下代替人的工作，从而很好的保护了操作者的人身安全，因此在机械加工、电工电子、冶炼锻造等众多工业中被广泛应用。 1.1 课题背景及意义 随着我国经济在近几十年的飞跃发展，我国在计算机应用技术、微电子技术和自动控制技术等高新领域也取得了迅速发展。机械手在发展之初最先用在汽车的生产制造，用来对车体零件的焊接、喷漆、装卸料和搬运^[1]。机械手作为我们大脑和手脚功能的扩展而存在，可代替我们去干那些具有危险和毒害性的工作，从而使生产率得到显著提升，同时产品质量也得以保障。 由于机械手可以在肮脏，杂乱以及不同温度条件和放射性环境中操作，并且能周而复始的重复同样的动作，因此在许多行业中都被普遍采用。在传统的制造领域，使用机械手既能保证机械加工的精确度，同时也显著提高生产效率， 如富士康、东风本田、北京现代等众多汽车产业的加工生产线就大量使用机械手。此外，许多自动化生产线还部分或全部交付机械手进行现场焊接，外壳上漆，板料截断，自动装配和产品包装以及物流系统处理。在军事领域，一些相对高危的任务如拆除炸弹、扫雷等工作以前只能靠人冒着生命危险去排除，而如今利用机械手就完全替代了这些工作，从而士兵的财产生命安全得以保护^[2]。而随着纳米机器人的引入，治疗患者的效率也大大提高从而带动了高新科技的迅猛发展。 本课题根据微车后桥桥壳零件生产线的总体布局，针对市面上已有的搬运机械手存在的缺点与不足，以桥壳零件的加工工序以及具体加工工位和加工要求为基础，拟设计出一个专用机械手从而实现桥壳零件在生产线上的装卸工作。装卸机械手自动化生产线在实际应用中具有如下意义： （1）促进生产过程自动化 机械手的使用有助于提高物料输送、毛坯上下料、器材更换和机械安置的自动化程度，从而显著提升了生产率，有效控制了制造花费。 （2）使工作条件得到进一步改善 在温度和压力较高、嘈杂刺耳或其他有毒害污染及可操作区域太窄小的情况下，手动操作肯定是不现实的，而机械手在这里便起到了替代作用，避免在操作上的不当引起的人身意外，从而使劳动条件得以改善^[3]。 （3）减少人为误差，便于有节奏的生产 由于机械手可以一次次重复相同的动作，因此可以省下相当多的时间，并且机械手还可以接连持续操作，永远都维持一样的加工精确度，所以可以避免人为误差。 1.2 机械手的组成和分类 1.2.1 机械手的组成 机械手主要组成部分及各部分之间的联系如下图1-2-1所示。   图1-2-1 机械手组成方框图 1.执行机构 含有手部 、腕部、臂部、立柱和机座等部件，部分还增设有行走机构^[4]。 （1）手部 用来直接握持工件的部件。通常根据被握持工件的尺寸、形状、材料属性以及表面状况等参数的不同，分为夹持式和吸附式等形式^[5]。 夹持式手部由手指和传力机构所构成，常见形式的主要有弹簧式、钩托式和夹钳式。手指是与被操作物件直接接触的构件，按运动形式的不同通常分为回转型和平移型。传力机构是借用机构的组合来达到将动力传递到手部的机构。传力机构形式较多，比较常见的如滑槽杠杆式、齿轮齿条式、连杆杠杆式、丝杠螺母弹簧式、斜面杠杆式和重力式等^[6]。 吸附式手部根据工作原理的不同通常具有负压吸盘和电磁吸盘两类。负压吸盘通常用来吸取轻小片状零件、光滑薄板等材料；至于含有那些网格形状的盘类零件和能够传导磁性物质的环类零件，一般都是以电磁吸盘来吸料^[7]。 （2）腕部 放置在手部和手臂之间从而将二者连接起来，并能够调整被抓取物件在空间中的姿势，以扩大机械手的动作范围。它具有独立的自由度，一般可以实现上下摆动、左右摆动以及绕自身轴线回转三种运动，如有特殊要求有时还可以有一小段横移。 （3）臂部 用来承受夹持物件及以上两部分的部件，并带其在空间中作直线运动、回转运动等基本运动以及直线与回转的复合运动^[8]。 （4）立柱 用于承受臂部重量，同时也能当成它的的一部分，辅助机身作转体运动或起降运动。通常情况下立柱是钉死的，但如果需要的话，某些情况下也能水平移动。 （5）行走机构 当机械手需要在现有使用范围的基础上进一步扩大或需要完成长远距离操作时，可将滚轮、轨道等行走机构安装于机座上，以实现它的整机运动。 （6）机座 机械手的基本组件，以上所介绍的所有机构和用于控制的驱动系统均安置在机座上，用来承受它们的重量^[9]。 2.驱动系统 驱动系统是用来驱动机械手按照指定要求完成空间中的各项运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成^[10]。 3.控制系统 控制系统是对机械手的工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度等各项参数进行参数化指令控制的系统，一般分为点位控制和连续控制两种。对于动作相对比较复杂的机械手，还可以采用小型计算机或微机控制系统。 4.位置检测装置 能够实时监测到机械手工作过程中的空间位置坐标，同时将执行机构目前所处坐标值反馈给控制系统，后者自动与系统预先设定的参数进行比较，并在控制系统中微调，从而使执行机构能够在指定的误差范围内达到预设的位置^[11]。 1.2.2 机械手的分类 鉴于工业机械手有很多种，因此分类方式也尚无统一标准，目前主要按照用途、控制和驱动方式及各组成部件机构运动形式等分类如图1-2-2所示。   图1-2-2 机械手的分类 1.3 机械手国内外发展现状 国外机械手在材料搬运领域得到了迅速发展，而且目前研制出高精度且具有多个自由度的机械手，主要用于焊接、上漆和生产线钻削、锻压及输料等工作^[12]。国外机械手目前研发的重点是开发出具有某种传感能力，通过感受外界条件变化来做出相应反馈的智能机械手。其重点是视觉和触觉感知功能的研究，并取得了一定的成果。视觉功能是通过电视摄像机和安装在机器人手上的光学测距仪将图像的对象转换成视频信号，然后将视频信号发送到计算机。后者根据信号分析对象的各类特征，然后发出指令让机械手执行相应操作。触觉功能是通过机器人手上的触觉反馈控制装置实现的，触觉动作由安装在手指上的压敏元件产生以抓获工件。在搬运物件时，这种高智能度的机械手能够感知物件材料属性，并通过查找对应的信息库，自动设定与其相匹配的夹紧和运载方式，从而实现生产运作的高度自动化。 自2012年我国提出“十二五”规划，将推进工业机器人的核心零部件以及自动控制系统本土化和产业化作为战略目标后，历经三年又提出了“中国制造2025”，为我国未来十年机器人的发展方向指明了道路^[13]。为积极响应国家号召，随之而来的是美的集团、巨星科技、东方精工、科远股份、京山轻工等多家科技制造公司在机器人领域的大力投入，也都取得了丰硕的成果。虽然如此，与发达国家相比还是有些相形见绌，主要表现在产品供应中一些重要环节缺失，高精度减速器还是要靠国外引入，核心技术的创新能力和高端产业的质量可靠性均有待提高。 除了企业外，国内众多高校的知名学者也加入了机械手的研究领域，并将其与人工智能相结合。在仿生机器人领域对于机器鱼的研究，国防科大运用胸鳍推进的解决方案，哈工大采用形状记忆合金驱动的方法，都取得了不错的表现。对于双足机器人的研究，清华大学设计出了动态步行双足机器人THBIP-Ⅱ，哈尔滨工程大学设计出了双足机器人HEUBR_1。在机器人SLAM方面，以梁志伟为代表的研发团队采用基于分布式传感器感知的方法，周武团队运用遗传快速算法^[14]。在机器翻译领域，来自苏州大学计科学院的张民教授早在2007年就建立了统计机器翻译团队，重点研究翻译机器人的自然语言处理。早期毕业于哈工大的周明教授基于自主设计的“CEMT-I机器翻译系统”研发出来的聊天机器人经过市场的考验表现出了良好的效果。 1.4 机械手发展前景及方向 就我国目前的发展状态和已制定的规划而言，有望在2020年底使自主机器人的产业规模进一步扩大，在一些核心和关键技术上取得重大突破。结合目前我国的基本国情和市场行情，研发的重点主要放在多自由度多关节可用于人机协作的智能机器人，并有望实现全自主编程；可用于消防救援的机器人，能够在特殊恶劣环境下实现灾情的快速处理；用于医疗的手术机器人，能够独立或协助医务人员完成高精度微创手术；用于公共服务的智能交互式机器人，可以智能识别语音并进行讲解。 国外机械手的发展趋向于与AI人工智能技术的融合。一些著名的国外科技公司如微软、谷歌等借助于新式传感器技术研发出的新一代智能翻译机器人在传统文本识别的基础上加入了语音和图像识别功能，并在不断完善。近两年连续击败世界围棋冠军韩国棋手李世石和排名世界第一的中国棋手柯洁的AlphaGo就是谷歌公司研发出来的基于深度学习的人工智能围棋机器人。2017年底，该公司又研发出第二代产品AlphaGo Zero，目前该智能程序系统还在不断完善与更新中。 从国内外机械手整体发展状况来看，在当前阶段，机械手的发展动态可以总结为：首先，模块化和可重构化是目前机械构造发展的主要动向；其二，PC的开放式控制器是机械手系统发展的其中一个方向，旨在完善机械手逐渐走向网络化和标准化；第三，传感器的使用促使机械手逐渐向智能化方向发展和推进；最后，装配、焊接等机械产品正朝着标准化、模块化、系列化及系统动态仿真方向推进和发展^[15]。 第2章 机械手总体方案设计 2.1 机械手的生产线布局 本次设计需要搬运的微车后桥桥壳零件的三维结构模型如图2-1-1所示。   图2-1-1 桥壳零件三维模型 为了实现该零件的自动化加工生产，装卸机械手在该加工生产线中的布局如图2-1-2所示，C1～C5为机加工机床, 用来对桥壳零件的外圆、内孔及端面的切削加工。上料和卸料机械手分布在加工流水线两侧的适当位置, 用来完成桥壳零件的自动装卸^[16]。首先上料机械手先抓取传送带上的桥壳零件, 将其搬运到机床随行夹具上并定位；之后卸料机械手将桥壳零件从流水线末端的随行夹具上卸掉, 置于成品输送带上由输送带运出。两个机械手的工作过程都严格按规定的节拍运行，从而提高生产效率。