三指灵巧手结构设计与控制实验_(1)

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11第2章 三自由度手指的结构设计

2.1 引言

从机械结构的意义上讲，灵巧手可以被称作末端操作器。为实现灵巧手高度的灵活性，要求单个手指具有合理的自由度分配，和各个指节长度合理分配。同时，在进行手指的结构设计时，要运用机电一体化思想，机械和电

气统一考虑，使两者融为一体，达到空间的合理利用，提高灵巧手的集成度。

2.2 HIT/DLR 三自由度手指结构综述

如图2-1(a)、(b)所示，右边为上一代灵巧手手指，左边为新一代灵巧手手指。上代灵巧手手指基关节的传动系统采用两套“直流无刷电机、减速

a) 侧面图 a) Figure of side face

b) 正面图

b) figure of front face

图2-1 两代手指实物对比图

Fig.2-1 The contrastive figure of two generation 箱、伞齿轮”传动系统，最终传递到差动齿轮的两个主动齿轮上。新一代灵

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12巧手手指基关节的传动系统则采用两套“直流无刷电机（扁平电机）、一级同步带、谐波减速器、二级同步带”传动系统，最终传递到差动齿轮的两个主动齿轮上。对于手指的中间和末端关节，上一代手指是通过“直流无刷电机、伞齿轮、谐波减速器”传递到中间关节，中间关节和末端关节则通过四杆机构实现近似1:1的耦合传动关系；新一代是通过“直流无刷电机、同步带、谐波减速器”传递到中间关节，中间关节和末端关节通过钢丝传动实现1:1的耦合传动关系。

新一代手指三个指节的长度配置是仿照人手指的长度比例2:1:1,手指总长度为106mm,由于指节

1内要安放指关节2、3的驱动器，使指节1的长度较长，手指的主要尺寸参数和上一代手指的对比更接近人手，具体参数见表2-1。在结构设计上由于基关节采用新的传动方式，这使基关节的尺寸大大减小，从而使整个手指的宽度和长度都大大减小，对于灵巧手的包装、结构设计都提供和很大的方便。

a) 前一代灵巧手指模型尺寸图

a) Figure of previous finger model

b) 本设计灵巧手指模型尺寸图 b) Figure of new finger model 图2-2 两代灵巧手指模型尺寸对比图

Fig.2-2 The contrastive figure of two generate finger model

表2-1两轮手指的尺寸对比

Table 2-1 Dimension contrast of new finger and old finger ( mm) L L1 L2 L3 L4 T1 T2 W1 W2 HIT/DLR 223.8 39 30 67.8 87 47.7 41 38 32 NEW 175 27 25 54 69 42.4 31 22.5 24.66

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13本设计中手指有四个关节和三个自由度，手指的两个关节是耦合运动。手指的三个关节的转动的角度范围也有所改进，如在基关节的俯仰的关节中加入了后仰的角度范围，更接近人手的特点。其具体的参数为：

表2-2 手指4个关节转动的角度范围

Table 2-2.Angle range of four finger joint 基关节俯仰 基关节侧摆 中间、末端关节

°?20～+°90 °?20～+°20 °0～+°90

手指的基关节输出的转矩为1Nm,中间关节1输出的转矩为0.5Nm 。指尖输出的最大的指尖力接近10N ；手指关节的速度指标为s /90°。

由于手指驱动传动方式和结构设计改进使得手指的重量大大减小，上一轮手指的重量为330g,本设计中手指的重量为230g

2.3 手指基关节的结构设计

2.3.1 手指基关节实现原理

灵巧手的基关节（第一、二关节）有两个自由度：俯仰运动，运动范围为°?20～90°+；侧摆运动，运动范围为20°±。大多数的灵巧手基关节都有两个自由度，由两个驱动器驱动，如何实现这两个运动，主要有三种传动形式。（一）实现外展/内收和翘曲的两个轴正交，但却不是相互交叉的，它们在轴线位置上有一定的距离，分别由一个驱动器驱动，如Salisbury 手，这种结构可以使手指结构简单化，但降低了手指的灵活性，同时对驱动系统有更高的要求。（二）球/孔结构，如Omni 手。这种结构可以使手指的运动具有更大灵活性和适应性，也可以使手指的计算机控制简化。同时，它所具有的机械限位可以避免手指产生过度的伸展。虽然这种结构有很好的紧凑性和灵活性，但结构复杂，增加了手指的加工难度和成本。（三）四个齿轮组成的差动机构。这种基关节的两个自由度通过4个相互啮合的伞齿轮来实现。这种结构更加紧凑，更容易减小手指基关节的尺寸。

如图2-3，本设计中基关节采用了四个完全相同的锥齿轮差动来实现手指基关节的两个自由度，其中锥齿轮2、4为两个主动轮，锥齿轮1、3为从动轮。当锥齿轮2、4同向转动时，实现基关节俯仰方向的运动；当他们逆向运动时，实现基关节侧摆方向的运动。该种方案可以使设计的操作器基关节的两个自由度在俯仰方向上能够完成°?20～90°+的运动，而在偏摆方向

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14上能够完成±20°的运动。

翘曲＋20°－20°

＋90°－

20°

4个传动别为1a θ和2a θ(2-1)。

(2-1) ????

??22a (2-2) 2.3.2 手指基关节驱动和传动系统

在机器人灵巧手的设计中，驱动的形式主要有电磁(电机)驱动、液气压驱动和采用记忆合金等。液气压驱动方式的缺点是设备复杂、庞大，难以实现灵巧手的高度集成化。记忆合金驱动方式存在着疲劳和寿命等问题。现在在灵巧手的研究中，电机驱动是主要的驱动方式。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板与手指机械本体融为一体，实现灵巧手手指的模块化。本设计中，基关节采用Maxon 公司提供的两个EC20

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15直流无刷盘式电机，内部集成霍尔相对位置传感器。

在灵巧手机械传动系统的设计中，较多地采用腱传动(绳索传动)。主要原因是受驱动源、驱动电路板体积的限制，使驱动器与转动关节的空间距离较远且路径不规则，只能采用腱传动。但腱传动有其不可避免的缺陷：连接复杂，可靠性差；由于腱的柔性，控制精度低；存在迟滞等。HIT/DLR 上一代灵巧手在传动系的设计中采用齿轮传动，使驱动器与手指机械融为一体，且使手指具有很好的刚度和可靠性，实现手指的模块化。但是由于伞齿轮传动和关节距离太近，而且再加上基关节绝对位置传感器要安放在齿轮输

出端使得基关节尺寸很大，给包装和外形设计上带来很大的难度。本设计中，基关节差动齿轮系的传动系统采用直流无刷电机+第一级同步带传动+谐波减速器+第二级同步带传动，最终传递到差动齿轮的两个主动轮上。本设计采用两套完全相同的传动系统分别驱动两个主动轮，从而实现手指基关节的俯仰/侧摆两个自由度方向的运动。

图2-4 手指基关节结构图

Fig.2-4 Structure figure of finger base joint

基关节俯仰自由度运动的角度范围做了机械上的限位，侧摆±20°时是靠图2-4中的两个侧板进行限位，俯仰时的-20°-90°的运动的限位机构如图2-5所示，是通过设计的两个斜块实现。同时基关节的差动齿轮机构在基关节的俯仰方向有-10°的倾斜，这样设计是为了尽量减小关节与谐波减速器之间的距离，使结构更为紧凑，集成度更高。

第一级同

步带传动 谐波减

速器

第二级同

步带传动 EC20电机

张紧轮霍尔位置传感器

差动轮系二维力矩

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16 图2-5 基关节俯仰运动时的机械限位

Fig.2-5 Position limit when base joint pitching 这种传动系统的结构的主要优点很明显：

1.基关节的结构更加紧凑，使基关节的尺寸上得到很大的缩小，见表2-1，给包装和外形设计带来极大的方便；

2.伞齿轮传动中，伞齿轮之间存在很大的轴向力，这种轴向力最终作用在基关节的基座上，使差动齿轮传动产生轴向间隙，使伞齿轮啮合在分度圆以外，从而使传动精度和稳定性变差；而同步带传动则没有这个问题；

3.基关节的霍尔绝对位置传感器直接安装在同步带张紧轮的轴上，不再另外为位置传感器加附加的传动机构；

同时，同步带加谐波减速器的传动方式也存在以下缺点：

1.同步带的强度和寿命不如伞齿轮，在以后的设计中可以选用强度更高的带形，同时要考虑同步带的预紧力对传动系统的影响；

2.同步带和谐波减速器都会给传动系统带来一定的柔性，可以在控制算法上给与补偿；

2.3.3 基关节传动系计算及受力分析

2.3.3.1基关节传动系设计计算 基关节的设计指标中最大输出转矩为1Nm,要实现这个指标其传动系统中的电机的输出转矩及各级减速比要得到合适的配置，同时考虑谐波减速器的许用传递力矩和同步带的强度。各级减速比及传动效率见表2-3。

所选直流无刷电机的最大连续输出转矩为mNm T 2.4=电机,谐波减速器的

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17最大输出转矩为max T 柔轮为550mNm .则电机将转矩传到谐波减速器上后，谐波

减速器柔轮输出的最大转矩如式(2-3)。

表2-3 基关节各级减速级的传动比和效率

Table 2-3 Transmition ratio and efficiency of base joint each level

一级同步带 谐波减速器 二级同步带 差动齿轮系 传动比i 3.21=i 1002=i 125.13=i 14=i

传动效率η 95.01=η 65.02=η 95.03=η 9.04=η

12124.2 2.31000.950.65597T T i i mNm

ηη=????=????=柔轮电机 (2-3)

因为柔轮T 大于max 柔轮T ，同时由于谐波减速器的效率是随着其输出的转矩

的增大而提高，所以应该尽量使谐波减速器在最大输出转矩下运行。则谐波减速器柔轮通过第二级同步带传动、差动轮系驱动手指基关节产生的最大转矩为计算如式(2-4)为1060mNm,满足设计指标。

max 3434max 2

550 1.12510.950.921060T i i mNm

ηη=?????=????=柔轮 (2-4)

所选直流无刷电机的最大连续转速为：15000rpm ，同时考虑谐波减速器最大平均输出转速为4500rpm 。这样基关节的最大连续转速如式(2-5),满足手指的设计指标：15rpm.

max 234max /(**)

4500/(100*1.125*1)40n n i i i rpm

?===谐波 (2-5)

2.3.3.2基关节传动系受力分析 基关节的传动系统结构设计中，各个传动件的受力分析和强度分析是基关节性能的保障，下面将对基关节传动系统进行受力分析。

如图2-4，1、2、3、4为差动轮系的四个伞齿轮，5、6为第二级同步带传动的两个末端同步带轮。其受力情况如图所示，主要是差动齿轮在传递扭矩时所受的轴向力、径向力和圆周力，圆周力是驱动基关节转动的动力；径向力作用在轴上，再通过轴传递到基座轴承上；轴向力主要作用在基座的两侧，对力矩传感器的连接梁产生一个弯曲变形，这个变形量使差动齿轮系产生间隙，间隙过大会使伞齿轮啮合处分布在分度圆外，这样会对传动精度和连续性产生不良影响，在设计中要求这个变形量应尽量小，使基座的变形

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18量对传动质量的影响尽量小。

基关节在俯仰和侧摆的两个自由度中，俯仰时的角度范围较大，俯仰在对物体的抓握过程中起到主导作用。尽管在两个自由度同样的输出转矩下， 图2-5 手指基关节受力图

2的受a F 、轴向力r F (2-6)

式中，1T ——小齿轮传递的名义转矩，N.mm; α——分度圆压力角，标准齿轮α=20°；

1δ——分度锥顶角，2

11tan d d =δ； R φ——尺宽系数，R

b R =φ；

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19N

F N

F N F a r t 9707.0364.0359707.0364.035353.14500)8.16225.35.01(8.162502121212=××==××===×××?×=

(2-7) 同上式： N F N F N F a r t 9;9;35232323===。

如图2-4：伞齿轮2的受力主要简化到B 和C 点，由于差动齿轮1、2、3、4大小相同，B 、C 两点所受的圆周力和径向力大小相同方向相反，轴向力大小方向都相同，计算见式(2-7)。

二维力矩传感器与差动齿轮连接梁的受力变形使差动齿轮系产生间隙，这个间隙使差动齿轮的啮合处分布在分度圆之外，将对差动齿轮的俯仰/侧摆方向上的运动连续性产生很大影响，甚至有错齿的情况出现。根据上一代手指基关节的设计经验，本设计将其变形量控制在0.04mm 之内，从而减小差动齿轮产生的间隙对传动连续性的影响。通的基关节传动系受力分析，每个连接梁所受的伞齿轮的轴向力为N F r *213=，经过有限元分析，见图2-6),满足设计要求。

图2-6 基关节力矩传感器连接侧梁变形分析 Fig.2-6 Distortion analysis of base joint torque sensor’s connect link

2.3.3.3基关节传动系主要零件校核计算 1差动齿轮的强度校核

因为本设计中的差动齿轮传动为硬齿面闭式齿轮传动，其齿面接触的承载能力较高，主要的失效形式为轮齿的折断，故先按齿根弯曲疲劳强度进行设计，然后按齿面接触疲劳强度进行校核。

直齿圆锥齿轮的齿根弯曲强度校核公式如式(2-8)。

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20[]F S F R t F Y Y bm KF σφσ≤?=

)5.01(85.0 MPa (2-8) 将12

)5.01(22111+=?=u d b d T F R R t φφ、代入上式，得齿根弯曲疲劳强度的设计公式为： []32

2211

1)5.01(85.04F s F R R Y Y u Z KT m σφφ+?≥ mm (2-9) 式中 K

R φ 1Z u F Y >>图8-19

s Y ；

[]F σ MPa 517.0=≥m (2-10) 齿面接触疲劳强度的校核公式为：

[]H R t H E H u u bd KF Z Z σφσ≤+?=1)

5.01(85.021 MPa (2-11) 式中， K ——载荷系数，取K=1.3;

t F ——齿轮受的周向力，由上面的受力分析，t F =18N ；

b ——尺宽，本设计中，b =3.5mm ；

1d ——分度圆直径，1d =16.8mm;

R φ ——尺宽系数，15.0==R

b R φ；

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21 u ——传动比，u =1；

E Z ——材料弹性系数，查表得MPa Z E 8.189=；

H Z ——节点区域系数，取H Z =2.5；

[]H σ ——许用接触应力，[]MPa S Z H H N H 5002

.16000.1lim =×==σσ 则得到：

[]189.8401H H MPa

σσ=×=≤ (2-12)

经过分析，根据齿根弯曲疲劳设计的圆锥齿轮满足齿面接触疲劳强度计算。

1. 同步带的强度校核计算

表2-4 第一级同步带的主要设计参数

Table 2-4 Main design parameter of the first level synchronous pulley

齿数比i 带形 节距t(mm) 中心距a(mm)

23:10 K1.5 1.5 21.15

设计带速n(rpm)设计带宽b(mm) M spez (Ncm/cm) P spez (w/cm) 3000 1.5 0.076 0.238 在基关节的传动系中，影响整个传动系的最薄弱的环节是同步带的强度和寿命，在同步带传动的设计中必须特别注意其强度校核计算，并且要留有较大的余量。同步带强度校核的过程同时也是同步带宽设计的过程，因为其强度和带宽是成正比的关系。第一级同步带传动的主要参数见表2-4。

同步带强度计算的一般步骤是先用带齿剪切强度设计带宽，再校核同步带的抗拉强度。

1.带齿剪切强度

121()10 1.5(2310)arccos arccos 4.531802180221.15

e Z t Z Z Z παπ????=?=?=???? (2-13) 330.004230000.001329.55109.5510

M n P kw ??===?? (2-14)

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- - 22 111001000.00420.122()

10 4.530.076100010000.00132'0.123()10 4.530.238

e spez e spez M b cm M Nm Z Z M P b cm P KW Z Z P ×?=

==××??×?===××??

(2-15) 式中， e Z ——小带轮啮合齿数；

M spez ——许用剪切应力下的转矩；

P spez ——许用剪切应力下传递的功率；

本设计中第一级同步带的带宽选的是1.5mm ，满足强度要求。

2.15=u F (2-16) 式中， M zul F 细说明。

2.4 2.4.1 无刷直流电机、一2-7所示，为手指指节的结构图，在本设计中为了使结构更加紧凑，谐波减速器的采用柔轮固定，刚轮转动的方式，柔轮固定在手指指节的侧板上，刚轮固定在带动指关节1转动的连接梁上。

2.4.2 手指关节间的耦合传动方式设计

要实现手指中间关节和末端关节之间的耦合的传动关系，在灵巧手的设计中主要采用以下几种传动方式：

(1).腱传动（即通常所说的绳索传动）

，特点是结构简单，节省空间，具有很高的抗拉强度和很轻的重量，但刚性差，而且具有较大的弹性，不利于

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图2-7 手指指节结构图

Fig.2-7 Structure figure of finger joint

控制。MIT 手,DLR 手等是以这种方式传动的。如图2-8所示。

(2).齿轮传动，特点是传动比可靠，刚度好，但摩擦较大，传动效率低，传动有回程间隙，并且占用空间较大，空间布置较困难，重量大，并且齿轮的回程间隙给传动带来一定的误差。

(3) 连杆传动，平面连杆机构优点是刚度好，加工制造比较简单，易获得较高的精度，构件之间的接触可以靠本身几何封闭来实现，能较好地实现多种运动规律和运动轨迹的要求。但设计方法比较复杂，不能精确地满足各种运动规律和运动轨迹的要求，但传动过程中不容易实现固定传动比传动，给控制带来不便。典型的如Tomovic 和Boni 于1962年研制的Belgrade 手，美国国家航空和宇航局约翰逊空间中心于1999年研制成功的NASA 多指灵巧手等，图2-9所示。

在HIT-DLR 灵巧手中同样采用的是四杆机构实现的近似1:1的耦合传动，虽然进行了各种优化，使其传递的角度误差降到最低，但是其最大的指尖位置误差仍然达到了0.89mm ，这在灵巧手的精确抓取时是不可忽略的，而且这种机构产生的角速度和指尖线速度误差同样是不可忽略的，本文将对四杆机构耦合传动产生的位置和速度误差进行详细的分析，并提出更为优越的设计方案。

EC20

电机 一级同步

谐波减速器

钢丝传动 霍尔位置

传感器

指节力矩

传感器

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图2-8 MIT 手

Fig.2-8 MIT hand 图2-9 NASA 手 如图2-10所示四连杆机构。设1l 为主动杆， 为中间杆传动件，3l 为从动杆，4l 为机架。指节1带动末端两个指节转动，这样指节1在建模过程

中对应机架4l 。在传动过程中，主动件第二指节带动第三指节进行耦合传

动。设主动件为1l ，1l 通过连杆3l 推动杆2l 同方向运动，则1l 相当于指节

2，2l 相当于指节3。由此组成一四连杆机构。仿人手的运动方式，在灵巧

手手指的运动过程中，手指末端耦合运动的两个指节转向一致，即角α（主动旋转角BAD ∠）和角β（耦合、被动旋转角CBA ∠）旋转方向一致，且转过的角度尽可能地相等，当α增加90度时，相应的角β也增加大约90度。确定各杆的长度以及初始角度，使角α和角β转过的角度之差最小，近似实现1:1传动。

a) 四杆机构示意图 a)Sketch map of four bar structure b) 手指耦合传动机构图 b)Structure figure of finger coupling driver

图2-10 连杆机构耦合传动

Fig.2-10 Coupling transmission of link structure 尽管经过优化后四杆机构耦合传动的误差已经很小，但是四杆机构耦合传动引起的位置误差和速度误差会给手指控制和精确抓取带来困难。

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25如图2-11(a)，四杆机构耦合传动在指关节1的运动范围内，指关节2最大的角度误差为 1.2度，由此产生的指尖的最大位置误差为0.89mm ；图2-10(b)为手指中间关节在45度/ s 的角速度下，指尖在标准的1:1传动(点划线)和四杆机构耦合传动(实线)时线速度的曲线，其最大误差为1.75mm/s 。在精确抓取的情况下，这种误差会对抓取的效果产生很大影响。另外，四杆机构设计时，由于关节尺寸的因素使得连杆轴上没有空间安放轴承，这样光轴就会存在摩损问题，对四杆机构的耦合运动的可靠性产生不良影响。因此，要设计一种传动比更为精确且具有较高刚度的耦合传动机构是很必要的，本设

计改进了腱传动，采用钢丝传动实现精确的1:1的耦合传动关系。

a) 指关节2的角度误差

a) Angle error of finger joint 2

b) b) Line speed error of finger tip 图2-11 四杆机构耦合传动角度和指尖线速度误差

Fig.2-11 Angle and fingertip linespeed error of four bar structure 如图2-12，钢丝轮1安装在指关节1的轴上但是固定在指节1的盖板上，和指节1保持固定。钢丝轮2安装在指关节2上但是固定在指节3上，和指节3保持固定。钢丝1、2则成‘∞’型平行错开安装在半径相同的钢丝轮上，这样两个钢丝轮的运动关系为反向等速运动。当指关节1带动指节2正向转动时，钢丝轮1相对于指节2逆向转动，钢丝轮2运动和钢丝轮1转动方向相反，则钢丝轮2相对于指节2正向转动，且转动速度和指节2相 对于指节1转动速度相同，这样就实现了指关节1、2之间的1:1耦合传动。钢丝传动与四杆机构传动相比主要的优点是：(1)钢丝传动是严格的1:1的精确传动，不存在四杆机构所存在的位置和速度误差，对精确抓取十分有利。(2)钢丝传动不存在四杆机构传动中连杆轴的磨损问题。同样钢丝传动也存在一些缺点，如钢丝的预紧问题，本设计采用设计的预紧块实现钢丝预紧。

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26 图2-12 钢丝传动耦合机构

Fig.2-12 Coupling structure of steelwire transmission

2.5 霍尔效应的非接触式关节位置传感器拇指的外展/内收运动。

2.5.1 力/力矩传感器

新设计手指有三个力/力矩传感器：基关节二维力矩传感器、手指一维力矩传感器以及指尖六维力/力矩传感器。前两种传感器是基于传统应变片的关节力矩传感器，其应变梁结构与应变分析如图2-13所示。由于采用的应变片在应变为0.001～0.002mm/mm 时测量精度较高，由图2-13可以看出应变片应该粘贴的位置和粘贴处的应变量：基关节力矩传感器的应变片应该贴在应变梁上表面靠近中心轴的区域，在1Nm 的力矩作用下其两个自由度应变量分别为0.155mm/mm 、0.140mm/mm ；指节力矩传感器的应变片应该

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27贴在应变梁外侧中间区域，在0.25Nm 的力矩作用下其应变量为

0.148mm/mm

。

a) 基关节力/力矩传感器

a) Base joint force/torque sensor

b) 指节力/力矩传感器 b) Finger torque sensor 图2-13 基关节和指节力矩传感器弹性体的应变分析

Fig.2-13 Distortion analysis of base joint and finger joint torque sensor 指尖六维力/力矩传感器，直径为20mm ，高16mm ，如图2-14，可以检测作用于传感器上的三维力和三维力矩信息。应变片的加工。而基于MEMS 技术实现应变片全自动加工和激光阻值校正，这将大大地简化制造工艺、提高成品率和传感器的精度；全平面微传感器本体。基于MEMS 技术的应变片制作方式，要求传感器弹性本体的敏感部位位于同一平面，这样有利于应变片的加工以及后续工艺的进行；因此基于弹性力学有限元分析理论，设计了平面传感器弹性本体。传感器信号处理。由于传感器的输出信号很小且伴有噪声，因此信号处理电路必须具有很高的输入阻抗、共模抑制比、信噪比和放大倍数。

图2-14 指尖六维力/力矩传感器弹性体结构及实物图

Fig.2-14 Structure body and object of fingertip force/torque sensors

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282.5.2 位置传感器

本文采用两种位置传感器分别用于检测手指关节的绝对位置和电机的相对位置，位置信息通过微分得到速度信息。

在关节位置测量中，主要有两种方法被广泛应用：电位计和码盘。MIT 手、JPL 手及DLR Ⅱ手均采用电位计测关节位置。电位计测量关节位置具有结构简单、成本低，稳定度高、线性度好，灵敏度高，可通过提高工作电压来改善灵敏度等优点，但由于电刷和电阻丝之间存在摩擦，具有工作频率

低、使用寿命短、电噪声大等问题。码盘式编码器也称绝对编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统（如微机）联接，但对安装位置、安装空间要求较高。

新一代手采用基于霍尔效应的非接触式绝对位置传感器，其测量原理如图2-15所示，由磁钢、敏感芯片及外围的放大电路等组成。磁场径向分布的磁钢固定在张紧轮轴端，随着轴的转动，磁场方向也相应改变，置于不动电路板上的对磁场敏感的芯片感知磁场的方向。该传感器具有高测量精度，该传感器在常温下，测量精度小于0.3度。该传感器由小体积磁钢（外形尺寸：直径0.5 mm ）、 敏感芯片及相应的信号放大电路组成，通过采用小封装的集成芯片，能够使该传感器测量系统很方便地融入系统中，实现小型化、集成化。

图2-15 非接触式霍尔位置传感器

Fig.2-15 The sensor of uncontact hall positon 除关节绝对位置传感器外，新一代手还配置有基于电机霍尔信号的相对位置传感器，由于电机转动到关节位置要经过减速器，所以电机的相对位置具有较关节位置更高的分辨率；同时由于关节位置传感器在装配过程的误差

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29对其测量精度有很大影响，相比而言，商业化电机的霍尔传感器具有更高的精度。

2.6 本章小结

本章介绍了三指灵巧手的三自由度单手指的设计，单手指运用机电一体化设计理念，该手指具有高集成度、模块化等特点。针对上一代灵巧手指中存在的问题，本设计进行了更为优化的结构设计，使手指的具有仿人型的特点。

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- - 30第3章 三指灵巧手及其腕关节设计

3.1 引言

多指灵巧手的几何尺寸、手指数目、关节数目和自由度分配等决定了它所能达到的灵巧程度。三指手由于其重量轻、结构简单、控制方便以及能够实现对多种形状物体的稳定抓取，也拥有很大的运用空间，使得三指手也得到了很大的发展。但是目前三指手主要是对固定形状物体的强力抓取为主，其灵巧抓取能力都很有限，本文集于第二章对一个集成化、模块化的单手指进行了设计，设计三指灵巧手，并对其进行抓取运动仿真。由于手指的灵巧性和能够实现对位置和力矩的精确控制，使得三指手除了能够实现强力抓取的同时也能够实现精确抓取。

同时，由于三指灵巧手在完成精确抓取时的灵巧性能有限，本章将分析和设计一个两自由度腕关节以提高三指灵巧手的灵巧性能。

3.2 三指灵巧手结构设计

三指灵巧手在稳固抓取的能力方面和四指灵巧手相比，在形状的适应性较弱；在最大抓握重量上相近，因为其最大的抓取重量取决于拇指的最大输出力；在最大抓握尺寸上则较强，因为本设计中增大了拇指和其它两个手指的倾斜角度。在精确抓取的能力方面三指手不如四指手，Markwnscoff ，Ni 和Papadimitriou [54]证明在有摩擦情况下，3个和4个手指是二维和三维力封闭抓取的充分条件，三指灵巧手只是二维力封闭抓取的充分条件。但是由于三指灵巧手重量轻、结构简单等优点，使其有很大的运用空间。

如图3-1所示，三指灵巧手的手指的方式方式采用相对放置，两个手指平行竖直放置，拇指倾斜°50放置，三个手指分别用螺钉固定在支撑板上，并用绑紧刚片绑紧。这种布置方式具有结构简单、安装固定方便等优点。

三指灵巧手通过一个机械接口（包括电气接口）和腕关节相连接，如图3-2所示，腕关节能够实现俯仰和侧摆两个自由度方向的运动，其具体的结构设计在本章3.3节详细叙述。

轴系结构设计与分析实验报告

轴系结构设计实验报告 一、实验目的 1、熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计，滚动轴承组合设计的基本方法； 2、熟悉并掌握轴、轴上零件的结构形状及功用、工艺要求和装配关系； 3、熟悉并掌握轴及轴上零件的定位与固定方法； 4、了解轴承的类型、布置、安装及调整方法以及润滑和密封方式。 二、实验设备 1、组合式轴系结构设计分析试验箱。 试验箱提供能进行减速器圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计实验的全套零件。 2、测量及绘图工具 300mm钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等。 三、实验步骤 1、明确实验内容，理解设计要求； 已知条件（包括传动零件类型、载荷条件、速度条件）： 直齿圆柱齿轮、圆锥滚子轴承、阶梯轴、载荷变动小、传动平稳 绘制传动零件支撑原理简图： 2、复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法（参看教材有关章节）； 3、构思轴系结构方案 （1）根据齿轮类型选择滚动轴承型号； 轴承类别：圆锥滚子轴承选择依据：能承受径向和轴向方向的力

（2）确定支承轴向固定方式（两端固定或一端固定、一端游动）； 轴承轴向固定方式：两端固定选择依据：传动平稳 （3）根据齿轮圆周速度（高、中、低）确定轴承润滑方式（脂润滑、油润滑）； 润滑方式：油润滑选择依据：齿轮圆周速度中低 （4）选择端盖形式（凸缘式、嵌入式）并考虑透盖处密封方式（毡圈、皮碗、油沟）； 密封方式：毡圈、端盖凸缘式选择依据：更好的密封轴肩 （5）考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题； 如何定位：定位的话可以用轴肩、端盖、套筒、挡圈，圆螺母。 选择依据：用外力对零件进行约束，使零件在轴向无法产生相对位移。 （6）绘制轴系结构方案示意图。 4、组装轴系部件 根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所设计组装的轴系结构是否正确。 5、测量零件结构尺寸（支座不用测量），并作好记录。 6、将所有零件放入试验箱内的规定位置，交还所借工具。 7、根据结构草图及测量数据，在图纸上绘制轴系结构装配图，要求装配关系表达正确，注明必要尺寸（如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合尺寸），填写标题栏和明细表。 8、写出实验报告。 四、实验结果分析 1、轴上各键槽是否在同一条母线上。答：是。

物料分拣机械手自动化控制系统设计

物料分拣机械手自动化控制系统设计 摘要 机械手在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物、分拣物品、代替人的繁重劳动。可以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 本文在纵观了近年来机械手发展状况的基础上，结合机械手方面的设计，对机械手技术进行了系统的分析，提出了用气动驱动和PLC控制的设计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对物料分拣机械手的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。在其驱动系统中采用气动驱动，控制系统中选择PLC的控制单元来完成系统功能的初始化、机械手的移动、故障报警等功能。最后提出了一种简单、易于实现、理论意义明确的控制策略。 关键词:机械手；可编程控制器；自动化控制；物料分拣

目录 第一章前言 (1) 1.1研究的目的及意义 (1) 1.2主要研究的内容 (1) 第二章控制系统的组成结构和性能要求 (2) 2.1控制系统的组成结构 (2) 2.2控制系统的性能要求 (2) 第三章传感器的选择 (4) 第四章控制系统PLC的选型及控制原理 (6) 4.1 PLC控制系统设计的基本原则 (6) 4.2 PLC种类及型号选择 (10) 4.3 I/O点数分配 (10) 4.4 PLC外部接线图 (11) 4.5机械手控制原理 (12) 第五章 PLC程序设计 (14) 5.1总体程序框图 (14) 5.2初始化及报警程序 (15) 5.3手动控制程序 (16) 5.4自动控制程序 (16) 第六章总结与展望 (19) 参考文献 (20) 谢辞 (21)

机械手运动控制系统设计

机械手运动控制系统设计 基于S7200PLC村机械于的运动进行一系列控制，这些运动包括手臂上下、左右直线运动，手腕旋转运动，手爪夹紧动作和机械手整体旋转运动等。所采用的动力机构是步进电机，能够做到精确控制。在多个行程开关传感器的保护下，保证了这些运动万无一失。 工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代制造生产系统中的一个重要组成部分，越来越多地被研究和应用。本设汁的控制系统采用小型可编程控制器S7200PLC，具有编程简单、修改容易、可靠性高等优点。 1机械手的选择根据古典力学的观点，物体在三维空间内的静止位置是由三个坐标或围绕三轴旋转的角度来决定的。因此，物体的位置和方向（即关节的角度）能从理论上求得。在实际生产生活中，机械手的自由度不是盲目模仿人手的动作来确定的，而是根据实际需要的动作，设计出最少自由度的机械手来满足作业要求。所以一般专用机械手（不包括握紧动作）通常只具有2～3个自由度。而通用机械手则一般取4～5个自由度。本设计采用的机械手共有5个自由度。 这五个自由度为机械手能够做出手臂伸缩、手臂上下摆动、手臂左右摆动、手腕回转、手指抓紧，该机械手示意图如图1所示。 工业机械手要求精度非常高，所以本设计采用的是步进电机，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数宋控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 不过步进电机需要在驱动器的作用下才能正常工作，所以还要选择驱动器，本设计选择的是价格便宜而又方便使用的中美合资SH系列步进电动机驱动器，主要由电源输入部分、信号输入部分、输出部分等，实物图和接线原理图分别如图2和图3所示。

机械设计实验报告

机械设计基础（A2）实验报告 徐嘉宁 沈阳理工大学 2006.10

目录 一. 皮带传动实验报告 (1) 1.1. 实验目的 (1) 1.2. 实验机构造及测试原理 (1) 1.3. 实验步骤 (1) 1.4. 数据和曲线 (1) 二. 齿轮传动效率实验报告 (3) 2.1. 实验目的 (3) 2.2. 实验机构及测试原理 (3) 2.3. 实验步骤 (3) 2.4. 数据和曲线 (3) 2.5. 思考题 (4) 三. HS-A型液体动压轴承实验报告 (5) 3.1. 实验目的 (5) 3.2. 实验机构及测试原理 (5) 3.3. 实验步骤 (5) 3.4. 数据和曲线 (5) 四. JDI-A型创意组合式轴系结构设计实验报告 (8) 4.1. 实验目的 (8) 4.2. 实验内容 (8) 4.3. 实验结果 (8) 五. JDI—A型创意组合式轴系结构分析实验报告 (10) 5.1. 实验目的 (10) 5.2. 实验内容 (10) 5.3. 实验结果 (10) 六. JCY机械传动性能综合实验报告 (12) 6.1. 实验目的 (12) 6.2. 实验内容 (12) 6.3. 实验步骤 (12) 6.4. 实验结果 (12)

一.皮带传动实验报告 专业班级------------------ 姓名----------------- 指导教师------------------ 日期----------------- 1.1.实验目的 1.2.实验机构造及测试原理 1.3.实验步骤 1.4.数据和曲线

二.齿轮传动效率实验报告 专业班级------------------ 姓名----------------- 指导教师------------------ 日期----------------- 2.1.实验目的 2.2.实验机构及测试原理 2.3.实验步骤 2.4.数据和曲线

(完整版)基于plc的机械手控制系统设计

前言 随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引起人们的重视。 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 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”。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。 本文将通过西门子PLC控制机械手，PLC是可编程控制器（Programmable Logic Controller）的简称，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置。随着电子技术和计算机技术的迅猛发展，PLC的功能也越来越强大，更多地具有计算机的功能。目前PLC已经在智能化、网络化方面取得了很好的发展。该系统利用西门子PLC，在步进电机驱动下，完成对机械手在搬运过程中的下降、夹紧、上升、右旋、下降、放松、上升、左旋等全过程自动化控制，并对非正常情况实行自动报警和自动保护，实现企业的机电一体化，提高企业的生产效率。

轴系结构设计

小白进阶篇—电机选型案例集 目的：掌握轴系零件设计规范并计算校核轴的强度 课程内容： 1.轴的分类 按所受载荷特点分三种： 心轴：只承受弯矩; 传动轴：只承受转矩; 转轴：同时承受弯矩和转矩;

按轴的结构形状分： 直轴，曲轴，光轴，阶梯轴，挠性轴。 2.轴的材料 碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工

工艺性好，故应用最广；一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。 合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵； 多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。 球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。 3.轴的结构设计 合理的轴系结构必须满足下列基本要求： 1）轴和轴承在预期寿命内不失效；

2）轴上零件在轴上准确定位与固定，以及轴系在箱体上的可靠固定；3）轴系结构有良好的工艺性； 4）好的经济性。 轴肩与轴环定位 优点：方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大； 缺点：会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，阶梯过多将不利于加工。用途：这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。

轴系结构设计与搭接实验

轴系结构设计与搭接实验 一、实验目的 1．了解机械传动装置中滚动轴承支承轴系结构的基本类型和应用场合。 2．根据各种不同的工作条件，初步掌握滚动轴承支承轴系结构设计的基本方法。 3．通过模块化轴系搭接实践，进一步掌握滚动轴承支承轴系结构中工艺性、标准化、轴系的润滑和密封等知识。 二、主要的实验设备 模块化轴系搭接系统：提供可实现多方案组合的基本轴段，以及轴系常用的零件如轴套、轴承、端盖、密封件、机架等。 2．测量与装拆工具 三、实验题目 1．单级齿轮减速器输入轴轴系结构 2．二级齿轮减速器输入轴轴系结构 3. 二级齿轮减速器中间轴轴系结构 4．锥齿轮减速器输入轴轴系结构 5．蜗杆减速器输入轴轴系结构 详见“轴系机构明细表” 四、实验要求 每位同学选择设计题目中一个轴系结构，根据该结构简图和搭接零件明细表设计轴系结构装配图（建议采用M=1：1比例，3#坐标纸，手绘）。 2．分析轴的各部分结构，形状，尺寸与轴的强度，刚度，加工，装配的关系。 3．分析轴上的零件的用途，定位及固定方式。 4．分析轴承类型，布置和轴承的固定，调整方式。 5．了解润滑及密封装置的类型，结构和特点。 6．携带所绘制的完整的装配图在实验室进行轴系搭接实验。 7．按照轴系结构模块的可行方案修改原设计，最终完成一个轴系结构的设计与搭接。 8．课后根据实验修改设计画出正确装配图。完成实验报告。 （注：装配图采用1：1比例，符合制图标准，标注主要零件的配合尺寸。） 五、思考题 为什么轴通常要做成中间大两头小的阶梯形状？如何区分轴的轴颈，轴头和轴身各轴段，对轴各段的过渡部分和轴肩结构有何要求？ 2．你设计的轴系中轴承采用什么类型？它们的布置和安装方式有何特点？实际当中选择的根据是什么？ 3．该轴系固定方式是用“两端固定”还是“一端固定，一端游动”？如何考虑轴的受热伸长问题？

机械设计实验指导书1

机械设计实验指导书

目录 实验一机械零件列柜演示实验 (4) 实验二带传动分析 (6) 实验三轴系结构分析 (11) 实验四减速器结构分析 (14) 实验五滑动轴承实验 (16) 实验六机械设计课程设计列柜演示实验 (22) 实验七机械传动系统方案设计和性能测试综合实验指导书 (24)

学生实验守则 一、学生实验前应认真预习相关实验容，明确实验目的、容、步骤，对指导教师的抽查提问回答不 合要求者，须重新预习，否则不准其做实验。 二、学生在实验中，应听从指导教师及实验人员的安排，在使用精密、贵重仪器时，必须按要求操 作以确保设备的安全使用，禁止随意动用与本实验无关的仪器设备，若对实验容持有创见性的改革，实施前必须经指导人员同意后方可进行。 三、学生应认真地进行实验，严格按操作规程办事，正确记录实验数据，实验后要认真做好实验报 告，认真分析实验结果、处理实验数据。 四、严格考勤，对无故缺席实验的学生以旷课论处，不得补做；对请假的学生，须另行安排时间予 以补做。 五、实验完毕后，学生必须按规定断电、关水、关气、整理设备、清扫场地，经指导教师检查合格 后方可离开。如发现有损坏仪器设备、偷盗公物者，一经查实，须追究责任，视情节按有关规定论处。 六、实验室应保持安静，不准高声喧哗、吸烟，注意环境卫生。实验时应注意安全，节约水、电、 气，遇到事故应切断电（气）源，并向指导教师报告

实验一机械零件列柜演示实验 一、实验设备： XJ-10B型精选机械零件列柜、铅笔、橡皮、直尺等绘图工具、钢笔或圆珠笔等二、实验目的： 了解常用机械零件的构造及应用。 三、实验要求： 1.回答每一柜中一个简答题； 2.画出主动斜齿轮、主动锥齿轮、主动蜗杆的受力图。 四、实验容：

示教机械手控制系统设计

百度文库- 让每个人平等地提升自我 0前言 / 机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到 生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。因为，它能大大地 改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因此，受到各先进单 位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声的 场合，应用得更为广泛。在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受 到各工业部门的重视。在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开 发物料搬运机械手，采用的德 结束语 目录 0前言 0 1 课程设计的任务和要求 ...................................................................... 1 课程设计的任务 ............................................................................ 1 课程设计的基本要求 (3) 2总体设计 (3) PLC 的选型 端子分配图 3 PLC 程序设计 设计思想... 顺序功能图 4程序调试说明 参考文献

国西门子S7-200系列PLC对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。我们利用可编 程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。 机电传动以及控制系统总是随着社会生产的发展而发展的。单就机电而言，它的发展大体上经历了成组拖动，单电动机拖动和多电动机拖动三个阶段。所谓成组拖动，就是一台电动机拖动一根天轴，再由天轴通过皮带轮和皮带分别拖动各生产机械，这种生产方式效率低，劳动条件差，一旦电动机放生故障，将造成成组机械的停车；所谓但电动机的拖动，就是用一台电动机拖动一台生产机械，它虽然较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，机械传动机构复杂；多电动机拖动，即是一台生产机械的每一个运功部件分别由一台电动机拖动，这种拖动的方式不仅大大的简化了生产 机械的传动机构，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件。 、1课程设计的任务和要求 课程设计的任务 1）示教机械手控制系统设计 2）示教机械手系统示意图如下图所示

PLC机械手操作控制系统

摘要 在现代工业中 , 生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱，无人车间、无人生产流水线等等。已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有 毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这写恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工 业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动 化实践相结合的产物。并以为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械 手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和身效益的有效手段之一。尤 其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国， 近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。 机械手是在自动化生产过程中发展起来的一种新装置。广泛应用于工业生产和其他领域。PLC已在工业生产过程中得到广泛应用，应用 PLC控制机械手能实现各种规定工序动作，对生产过程有着十分重要的意义。论文以介绍 PLC在机械手搬运控制中的应用，设计了一套可行的机械手控制系统，并给出了详细的 PLC程序。设计完成的机械手可以在空间抓放、搬运物体等，动作灵活多样。 整个搬运机构能完成四个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。关键词：可编程控制器 ,PLC, 机械手操作控制系统 .

目录 第一章概述 (1) 1.1 PLC 控制系统 (1) 1.1.1PLC 的产生 (1) 1.1.2PLC 的特点及应用 (2) 1.2选题背景 (3) 1.2.1机械手简介 (3) 第二章PLC 控制系统设计 (6) 2.1总体设计 (6) 2.1.1制定控制方案 (6) 2.1.2系统配置 (6) 2.1.3控制要求 (9) 2.1.4控制面板 (12) 2.1.5 外部接线图 (13) 2.2.2手动方式状态 (16) 2.2.3回原点状态转移图： (19) 2.2.4自动方式状态 (19) 第三章控制系统内部软组件 (21) 3.1 内部软组件的概述 (21) 3.1.1输入继电器 (21) 3.1.2输出继电器 (21) 3.1.3辅助继电器 (22) 3.1.4状态组件 (23) 3.1.5定时器 (23) 错误！未定义书签。致谢 ........................................................................................................... 参考文献 (24)

轴系结构设计实验指导与参考答案图

轴系结构的分析与测绘 一、实验目的 1.通过拼装和测绘，熟悉并掌握轴的结构设计以及轴承组合设计 的基本要求和方法。 2.了解并掌握轴系结构的基本形式，熟悉轴、轴承和轴上零件的结构、功能和工艺要求。掌握轴系零、部件的定位和固定、装配与调整、润滑与密封等方面的原理和方法。 二、实验内容 1. 根据选定的轴系结构设计实验方案，按照预先画出的装配草图进行轴系结构拼装。检查原设计是否合理，并对不合理的结构进行修改。 2.测量一种轴系各零、部件的结构尺寸，并绘出轴系结构的装配图，

标注必要的尺寸及配合，并列出标题栏及明细表。 三、实验设备和用具 1.模块化轴段(可组装成不同结构形状的阶梯轴)。 2. 轴上零件：齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴承座、端盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈、螺钉、螺母等。 3. 工具：活搬手、胀钳、内、外卡钳、钢板尺、游标卡尺等。 四、实验步骤 1. 利用模块化轴段组装阶梯轴，该轴应与装配草图中轴的结构尺寸一致或尽可能相近。 2. 根据轴系结构设计装配草图，选择相应的零件实物，按装配工艺要求顺序装到轴上，完成轴系结构设计。 3. 检查轴系结构设计是否合理，并对不合理的结构进行修改。合理的

轴系结构应满足下述要求： 1）轴上零件装拆方便，轴的加工工艺性良好。 2）轴上零件固定(轴向周向)可靠。 4.轴系测绘 1）测绘各轴段的直径、长度及轴上零件的相关尺寸。 2）查手册确定滚动轴承、螺纹联接件、键、密封件等有关标准件的尺寸。 5. 绘制轴系结构装配图 1) 测量出的各主要零件的尺寸，对照轴系实物绘出轴系结构装配图。 2)图幅和比例要求适当(一般按1:1)，要求结构清楚合理，装配关系正确，符合机械制图的规定。 3)在图上标注必要的尺寸，主要有：两支承间的跨距，主要零件的配合尺寸等。 4)对各零件进行编号。并填写标题栏及明细表(标题栏及明细表可参阅配套教材《机械设计课程设计》)。

实验一 轴系结构组合设计实验

实验一轴系结构组合设计实验 一、实验目的 1. 熟悉并掌握轴、轴上零件的结构形状及功用、工艺要求和装配关系； 2. 熟悉并掌握轴及轴上零件的定位与固定方法，为轴系结构设计提供感性认识； 3. 了解轴承的类型、布置、安装及调整方法，以及润滑和密封方式； 4. 掌握轴承组合设计的基本方法，综合创新轴系结构设计方案。 二、实验设备 1. 组合式轴系结构设计与分析实验箱。箱内提供可组成圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系和蜗杆轴系三类轴系结构模型的成套零件，并进行模块化轴段设计，可组装不同结构的轴系部件。 2. 实验箱按照组合设计法，采用较少的零部件，可以组合出尽可能多的轴系部件，以满足实验的要求。实验箱内有齿轮类、轴类、套筒类、端盖类、支座类、轴承类及联接件类等8类40种168个零件。 3. 测量及绘图工具:直尺、游标卡尺、铅笔、三角板、稿纸等（除游标卡尺外，其余需自带）。 三、实验原理 1. 轴系的基本组成 轴系是由轴、轴承、传动件、机座及其它辅助零件组成的，以轴为中心的相互关联的结构系统。传动件是指带轮、链轮、齿轮和其它做回转运动的零件。辅助零件是指键、轴承端盖、调整垫片和密封圈等一类零件。 2. 轴系零件的功用 轴用于支承传动件并传递运动和转矩，轴承用于支承轴，机座用于支承轴承，辅助零件起联接、定位、调整和密封等作用。 3. 轴系结构应满足的要求 （1）定位和固定要求：轴和轴上零件要有准确、可靠的工作位置； （2）强度要求：轴系零件应具有较高的承载能力； （3）热胀冷缩要求：轴的支承应能适应轴系的温度变化； （4）工艺性要求：轴系零件要便于制造、装拆、调整和维护。 四、实验内容 1. 根据教学要求每组学生可自行选择实验内容（圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系或蜗杆轴系等）； 2. 熟悉实验箱内的全套零部件，根据提供的轴系装配方案（可参考图1-图6），选择相应的零部件进行轴系结构模型的组装； 3. 分析轴系结构模型的装拆顺序，传动件的周向和轴向定位方法，轴的类型、支承形式、间隙调整、润滑和密封方式；

机械设计基本实训指导书

《机械设计基础》实验指导书

二零零九年十一月 机械设计基础实训规则及要求 一、作好实训前的准备工作 （1）按各次实训的预习要求，认真阅读实训指导复习有关理论知识，明确实训目的，掌握实训原理，了解实训的步骤和方法。 （2）对实训中所使用的仪器、实训装置等应了解其工作原理，以及操作注意事项。 （3）必须清楚地知道本次实训须记录的数据项目及其数据处理的方法。二、严格遵守实训室的规章制度

（1）课程规定的时间准时进入实训室。保持实训室整洁、安静。 （2）未经许可，不得随意动用实训室内的机器、仪器等一切设备。 （3）作实训时，应严格按操作规程操作机器、仪器，如发生故障，应及时报告，不得擅自处理。 （4）实训结束后，应将所用机器、仪器擦拭干净，并恢复到正常状态。三、认真做好实训 （1）接受教师对预习情况的抽查、质疑，仔细听教师对实训内容的讲解。 （2）实训时，要严肃认真、相互配合，仔细地按实训步骤、方法逐步进行。 （3）实训过程中，要密切注意观察实训现象，记录好全部所需数据，并交指导老师审阅。 四、实训报告的一般要求 实训报告是对所完成的实训结果整理成书面形式的综合资料。通过实训报告的书写，培养学习者准确有效地用文字来表达实训结果。因此，要求学习者在自己动手完成实训的基础上，用自己的语言扼要地叙述实训目的、原理、步骤和方法，所使用的设备仪器的名称与型号、数据计算、实训结果、问题讨论等内容，独立地写出实训报告，并做到字迹端正、绘图清晰、表格简明。

目录 实验一平面机构运动简图的测绘和分析实验 (4) 实验二齿轮范成原理实验 (8) 实验三渐开线直齿圆柱齿轮的参数测量实验 (13) 实验四组合式轴系结构设计与分析实验 (19) 实验五机械传动性能综合测试实验 (32)

机械手的控制方式及控制系统设计

机械手的控制方式及控制系统设计 机械手在工业科技中的应用时间较长，随着工业生产的不断发展进步，机械手的控制技术也得到了较为快速的发展。人们在很早以前就希望能够借助其他的工具替代人类自身的手去从事重复性的工作，或者具有一定危险性的工作，从而提高工业的生产效率，同时也能规避人们在生产实际生产中碰到的危险情况。此外，在一些特殊的场合中，必须要依靠机械手才能加以完成。未来机械手在工业生产中将发挥更大的作用，本文主要对机械手的控制方式及控制系统设计方法进行了较为详细的分析。 2 机械手原理概述 机械手具有很多的优点，比如机械手比人的手具有更大的力气，能够干很多人手所无法干的事情，这样也能提高工业生产中的效率，同时采用机械手进行工业生产时的成本相对而言也会得到一定程度上的降低。机械手通常由三部分组成，即机械部分，传感部分和控制部分。其中，手部安装在手臂的前端，用来抓持物件，这是执行机构的主体，可根据被抓持物件的形状、重量、材料以及作业要求不同而具有多种结构形式。控制部分包括控制系统和人机交互系统。对于机器人基本部件的控制系统，控制系统的任务是控制机械手的实际运动方式。 机械手的控制系统有开环和闭环两种控制方式，如果工业机械手没有信息反馈功能，那么它就是一个开环控制系统。如果有信息反馈功能，它是一个闭环控制系统。对于机器人基本组成的人机交互系统，人机交互系统是允许操作员参与机器人控制并与机器人通信的装置。总之，人机交互系统可以分为两类：指令给定装置和信息显示装置，机械手的控制主要是通过软件程序加以实现。随着科学技术的发展，机械手相关的技术也得到了快速的发展，先进的控制方式和先进的控制技术在机械手的控制领域中也具有一定的采用。现在机械手不仅广

组合式轴系结构设计与分析实验

组合式轴系结构设计与分析实验 一、实验目的 1．通过轴系结构的观察分析，理解轴、轴承、轴上零件的结构特点，建立对轴系结构的感性认识； 2．熟悉和掌握轴的结构设计和轴承组合设计的基本要求和设计方法； 3．了解并掌握轴、轴承和轴上零件的结构与功用、工艺要求、装配关系、轴与轴上零件的定位、固定及调整方法等，巩固轴系结构设计理论知识； 4．分析并了解润滑及密封装置的类型和机构特点； 5．了解并掌握轴承类型、布置和轴承相对机座的固定方式。 二、实验设备 1. 组合式轴系结构设计分析实验箱 实验箱提供能进行减速器组装的圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计实验的全套零件。该实验箱能够方便的组合二十种以上的轴系结构方案，具有内容系统方案多样的特点，学生可以在实验老师的指导下，按图选取零件和标准件进行组装分析，也可以另行设计新的方案组装。 该设备主要零件包括底板、轴承、垫圈、孔用弹性挡圈、轴用弹性挡圈、端盖、轴承座、齿轮、蜗杆、圆螺母、轴端挡圈、轴套、键、套杯、螺栓、螺钉、螺母等。2. 测量及绘图工具 300mm钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔及三角板（学生自备）等。 三、实验内容与要求 1．指导教师根据下表选择性安排每组的实验内容（实验题号）

2. 进行轴的结构设计与滚动轴承组合设计 每组学生根据实验题号的要求，进行轴系结构设计，解决轴承类型选择，轴上零件定位固定、轴承安装与调节、润滑及密封等问题。 3. 绘制轴系结构装配图。 4. 每人编写实验报告一份。 四、实验步骤 1．明确实验内容，理解设计要求； 2．复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法（参看教材有关章节）； 3．构思轴系结构方案 （1）根据齿轮类型选择滚动轴承型号； （2）确定支承轴向固定方式（两端固定或一端固定、一端游动）； （3）根据齿轮圆周速度（高、中、低）确定轴承润滑方式（脂润滑或油润滑）； （4）选择端盖形式（凸缘式、嵌入式）并考虑透盖处密封方式（毡圈、皮碗、油沟）； （5）考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题； （6）绘制轴系结构方案示意图。 4. 组装轴系部件 根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所设计组装的轴系结构是否正确。 5. 绘制轴系结构草图。 6. 测量零件结构尺寸（支座不用测量），并作好记录。 7. 将所有零件放入实验箱内的规定位置，交还所借工具。 8．根据结构草图及测量数据，在3号图纸上用1：l比例绘制轴系结构装配图，要求装配关系表示正确，注明必要尺寸（如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合尺寸），填写标题栏和明细表。 9．写出实验报告。 组合式轴系结构设计实验报告（样式） 专业__________班级__________姓名___________座号__________成绩________ 一、实验目的 二、实验内容 实验题号 已知条件 三、实验结果 1、轴系结构装配图（附3号图） 2、轴系结构设计说明（说明轴上零件的定位固定，滚动轴承的安装、调整、润滑与密封方法）

轴系结构设计实验报告-new1

轴系结构设计实验报告 实验者：同组者： 班级：日期： 一、实验目的 1、熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计，滚动轴承组合设计的基本方法； 2、熟悉并掌握轴、轴上零件的结构形状及功用、工艺要求和装配关系； 3、熟悉并掌握轴及轴上零件的定位与固定方法； 4、了解轴承的类型、布置、安装及调整方法以及润滑和密封方式。 二、实验设备 1、组合式轴系结构设计分析试验箱。 试验箱提供能进行减速器援助齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计实验的全套零件。 2、测量及绘图工具 300mm钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板等。 三、实验步骤 1、明确实验内容，理解设计要求； 已知条件（包括传动零件类型、载荷条件、速度条件）： 绘制传动零件支撑原理简图： 2、复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法（参看教材有关章 节）； 3、构思轴系结构方案 （1）根据齿轮类型选择滚动轴承型号； 轴承类别选择依据 （2）确定支承轴向固定方式（两端固定或一端固定、一端游动）； 轴承轴向固定方式选择依据 （3）根据齿轮圆周速度（高、中、低）确定轴承润滑方式（脂润滑、油润滑）； 润滑方式选择依据 （4）选择端盖形式（凸缘式、嵌入式）并考虑透盖处密封方式（毡圈、皮碗、油沟）； 密封方式选择依据 （5）考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题； 如何定位 选择依据

（6）绘制轴系结构方案示意图。 4、组装轴系部件 根据轴系结构方案，从实验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查 所设计组装的轴系结构是否正确。 6、将所有零件放入试验箱内的规定位置，交还所借工具。 7、根据结构草图及测量数据，在图纸上绘制轴系结构装配图，要求装配关 系表达正确，注明必要尺寸（如支承跨距、齿轮直径与宽度、主要配合 尺寸），填写标题栏和明细表。 8、写出实验报告。 四、实验结果分析 1、轴上各键槽是否在同一条母线上。 2、轴上各零件（如齿轮、轴承）能否装到指定位置。 3、轴上零件的轴向、周向固定是否可靠。 4、轴承能否拆下。

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机械手电气控制系统设计

目录 一、机械手设计任务书 (1) 1机械手结构、动作与控制要求 (1) 2设计任务 (1) 二、电器控制部分 (2) 1.电器元件目录表 (2) 2.机械手主电路接线图 (3) 3.继电器控制电路 (4) 4.接线图 (4) 5.电器板元件布置图 (5) 6.控制面板 (5) 三、PLC控制部分 (6) 1.PLC的选型 (6) 2.PLC I/O图 (6) 3.状态转移图 (7) 4.梯形图 (7) 5.指令表 (10) 四、参考文献 (14) 一、机械手设计任务书 1机械手结构、动作与控制要求

机械手在专用机床及自动生产线上应用十分广泛，主要用于搬动或装卸零件的重复动作，以实现生产的自动化。本设计中的机械手采用关节式结构。各动作由液压驱动，并由电磁阀控制。动作顺序及各动作时间的间隔采用按时间原则控制的电气控制系统，动作时间需要可调。 以镗孔专用机床加工零件的上料、下料为例，机械手的动作顺序是：由原始位置将以加工好的工件卸下，放回料架，等待料架转过一定角度后，再将未加工零件拿起，送到加工位置，等待镗孔加工结束，再将加工完毕工件放回料架，如此重复循环。 设计要求 1.1加工中上料和下料各动作采用自动循环。 1.2各动作之间应有一定的延时（由时间继电器调定） 1.3机械手各部分应单独动作，以便调整及维修。 1.4液压泵电动机（Y100L2-4.3KW）及各电磁阀运行状态应有指 示。 1.5应有必要的电气保护与联锁环节。 2设计任务： 2.1绘制电气控制原理线路图，选用电器元件，制订元件目录表。 2.2设计并绘制以下工艺图样中的一种： 电器板元件布置图与底板加工零件图；电器板接线图；控制面 板元件布置图、接线图及面板加工图；电气箱及系统总接线图。 2.3编制设计，使用说明书，设计小结，列出设计参数资料目录。

搬运机械手运动控制系统设计范本

搬运机械手运动控制系统设计

搬运机械手运动控制系统设计 第一部分：题目设计要求。 一、搬运机械手功能示意图 二、基本要求与参数 本作业要求完成一种二指机械手的运动控制系统设计。该机械手采用二指夹持结构，如图1所示，机械手实现对工件的夹持、搬运、放置等操作。以夹持圆柱体为例，要求设计运动控制系统及控制流程。机械手经过升降、左右回转、前后伸缩、夹紧及松开等动作完成工件从位置A 到B 的搬运工作，具体操作顺序：逆时针回转(机械手的初始位置在A 与B 之间)—>下降—>夹紧—>上升—>顺时针回转—>下降—>松开—>上升，机械手的工作臂都设有限位开关SQ i 。 A B 工SQ 1 SQ 2 SQ 3 SQ 4 SQ 5 SQ 6 夹松

设计参数： （1）抓重:10Kg （2）最大工作半径：1500mm （3）运动参数： 伸缩行程：0-1200mm； 伸缩速度：80mm/s； 升降行程：0-500mm； 升降速度：50mm/s 回转范围：0-1800 控制器要求： （1）在PLC、单片机、PC微机或者DSP中任选其一； （2）具备回原点、手动单步操作及自动连续操作等基本功能。 三、工作量 （1）驱动及传动方案的设计及部件的选择； （2）二指夹持机构的设计及计算； （3）总体控制方案及控制流程的设计； （4）设计说明书一份。 四、设计内容及说明 （1）机械手工作臂及机身驱动部件的选择及设计，需设计出具体的驱动及传动方案，画出方案原理框图。 （2）末端夹持机构设计，该结构需保证抓取精度高，重复定

位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能力。设计应包括确定夹持方案、计算夹持范围、计算夹紧力及驱动力，完成夹持机构设计图。 （3）控制系统设计，包括确定控制方案、核心功能部件的选择、主要功能模块的实现原理、绘制控制流程框图。 第二部分：设计过程 搬运机械手运动控制系统设计

轴的结构设计范例

四、低速轴系的结构设计 1、根据轴的工作条件，选择材料及热处理方法，确定许用应力，由（二）（三）已算得从动齿轮转速n 2=71.7r/min 。齿轮分度圆直径d 2=360mm 。选用45号钢调质。查①表11－1得抗拉强度MPa 650b =σ，查①表11－9得许用弯曲应力[]MPa 60b 1=-σ。 2、按扭转强度估算最小直径 由（二）知，P 2=3.87kw ，T 2＝516.1N.m 查①表11－5取A=110，按①式（11－3）计算得： mm 57.417 .7187.3110n P A d 33 2==≥ 考虑轴和联轴器用一个键联接，故将轴放大5％并取标准值，即取d=45mm 。 3、轴的结构设计 （1）将轴设计成阶梯轴，按T=516.1N.m ，从②查用TL8型弹性联轴器，孔径为45mm ，长L=112mm ，与轴头配合长度为84mm 。取轴头直径为45mm ，故靠近轴头的轴身直径为52mm ，轴颈直径取55mm 。轴两端选用6011型轴承，轴承宽度B=18mm ，外径D=90mm 。轴承由套筒和轴肩实现轴向定位，圆角r=1mm 。取齿轮轴头直径为60mm ，定位环高度h=5mm ，其余圆角r=1.5mm ，挡油盘外径取D=89mm 。 （2）在（三）已经求得轮毂长为90mm ，因此轴头长度为88mm ，轴颈长度与轴承宽度相等为18mm ，齿轮两端与箱体内壁间距离各取15mm ，由于转速较低，故轴承用润滑脂，所以轴承端面与箱体内壁距离取10mm 。这样可定出跨距为158mm 。伸出箱体的轴段长度取44mm 。为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上，应将头长度取短一些，故取轴头长度为75mm 。 3、由于是单级齿轮减速器，因此齿轮布置在中央，轴承对称布置，齿轮与轴环、套筒实现轴向定位，以平键联接及选用过渡配合H7/n6实现周向固定。齿轮轴头有装配锥度，两端轴承分别以轴肩和套筒实现轴向定位，采用过盈配合k6实现周向固定。整个轴系以两端轴承盖实现轴向定位，联轴器以轴肩、平键和选用过渡配合H7/k6实现轴向定位和周向固定。 4、草图如下：

机械设计实验(轴系)

南昌大学机械设计实验报告 学生姓名： ****** 学号：********** 专业班级： ********* 实验类型：□验证■综合□设计□创新实验日期：12年11月14日小组组员：***、****、*****、******* 实验成绩： 实验名称：组合轴系结构设计实验 实验目的：熟悉并掌握轴系结构设计中有关轴的结构设计、滚动轴承组合设计的基本方法。 实验内容: (1)指导教师根据实验箱中的说明书选择性安排每组的实验内容或 学生自主拟定实现轴系结构功能及其设计方案. (2)进行轴的结构设计与滚动轴承组合设计,每组学生根据实验题 号的要求,进行轴系结构设计,解决轴承类型选择、轴上类型定位、固定轴承安装与调节、润滑及密封等问题 (3)绘制轴系结构装配图。 (4)经指导教师检查后，再按拟定方案进行轴系结构的装配，并分 析及特点。 实验设备： （1）实验仪器设备：组合式轴系结构设计分析实验箱：提供能进行减速器圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计的全套零件。 （2）测量及绘图工具：钢皮尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角

板等。 实验步骤： （1）明确实验内容，理解设计要求。 （2）复习有关轴的结构设计与轴承组合设计的内容与方法。 （3）构思轴系结构方案 ①根据齿轮类型选择滚动轴承型号； ②确定支承轴向固定方式（两端固定：一端固定、一端游动）； ③根据齿轮圆周速度（高、中、低）确定轴承润滑方式（脂润滑、油润滑）； ④选择端盖形式（凸缘式、嵌入式）并考虑透盖处密封方式（毡圈、皮碗、油沟）； ⑤考虑轴上零件的定位与固定，轴承间隙调整等问题； ⑥绘制轴系结构方案示意图。 （4）组装轴系部件。根据轴系结构方案，从试验箱中选取合适零件并组装成轴系部件、检查所组装的轴系结构是否正确。 （5）绘制结构轴系草图。 （6）测量轴系结构尺寸（支座不用测量），并做好记录。 （7）将所有零件放入实验箱内的指定位臵，交还所借工具。 （8）根据结构草图及测量数据，在实验报告上按1:1比例绘制轴系结构装配图，要求装配关系表达正确，注明必要尺寸，填写标 题栏和明细表。 （9）写出实验报告。

机械手控制系统设计(完整版).doc

机械手控制系统设计 摘要 在工业生产和其他领域内，由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至于危及生命。自从机械手问世以来，相应的各种难题迎刃而解。 本次设计根据课题的控制要求,确定了搬运机械手的控制方案,设计控制系统的电气原理图，对控制系统进行硬件和软件选型,完成PLC（可编程控制器）用户程序的设计。设计中使用了德国西门子公司生产的S7-200系列的CPU 226。该系列PLC具有功能强大，编程方便，故障率低，性价比高等多种优点。机械手的开关量信号直接输入PLC，使用CPU 226来完成全部的控制功能，包括：手动/自动控制切换，循环次数设定，状态指示，手动完全操控等功能。机械手完成下降、伸出、加紧工件、上升、右旋、再下降、放松工件、缩回、放松、左旋十个动作。通过模拟调试，有序的控制物料从生产流水线上安全搬离，提高搬运工作的准确性、安全性，实现一套完整的柔性生产线，使制造过程变的更有效率。 通过本次毕业设计，对PLC控制系统的设计建立基本的思想：能提出自己的应用心得；可巩固、深化前续所学的大部分基础理论和专业知识，进一步培养和训练分析问题和解决问题的能力，进一步提高自己的设计、绘图、查阅手册、应用软件以及实际操作的能力，从而最终得到相关岗位和岗位群中关键能力和基本能力的训练。 关键词：机械手；PLC（可编程控制器）；CPU；梯形图

II The Design of Manipulator Control System ABSTRACT In industrial manufacturing and other fields, due to the demand of work, many workers are compelled to expose in harmful circumstance like high temperature, corrosion, toxic gases harm and so on, that increased labor intensity, even imperial their lives. However, since the manipulator came out, many knotty problems are smoothly solved. The design requirements under the control of the subject to determine the handling robot control program, designed control system electrical schematic diagram, the control system hardware and software selection, complete the design of the user program in the PLC (programmable controller). Design used in the German company Siemens S7-200 series CPU 226. The series PLC with powerful, easy programming and low failure rate, and cost advantages. Robot switch signal input to the PLC, the CPU 226 to complete all the control functions, including: manual / automatic control switch, set the number of cycles, status indicator, manual complete control and other functions. the production line on the safe move out, so that the manufacturing process becomes more efficient. The graduation project, the design of PLC control system to establish the basic idea: to make their own application experience; can strengthen and deepen the most of the former continued the basic theory and professional knowledge, further training and training to analyze and solve problems the ability to further improve their design, drafting, inspection manuals, application software, as well as the actual ability to operate, and ultimately related jobs and job base in key skills and basic skills training. Key Words: Manipulator;PLC;CPU;Ladder-diagram