苏州大学第十六批大学生课外学术科研基金项目
苏州大学
第十六批大学生课外学术科研基金项目
总结报告
项目名称： 差动式转位机械手的设计及研究
学 院： 苏州大学机电工程学院
年级专业： 11机械
组 员： 樊洁 钱天云
指导教师： 盛小明 副教授
所在单位： 苏州大学机电工程学院
联系电话： 188xxxxxxxx
电子信箱： vanjay1123@foxmail.com
类 别： 自然科学类学术论文
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苏州大学第十六批大学生课外学术科研基金项目
差动式转位机械手的设计及研究
摘 要:
改革开放以来,在工业科技的不断发展下,机械化占据着越来越重要的地位。机械人手臂有着人类的手臂无法达到的灵活度与耐力度。机械手最明显的优势就是可以长期重复一件工作不发生错误，并且可以代替人在恶劣的环境中作业。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
本文主要针对差动式转位机械手进行了设计和研究。使用气动式机械手传递工件，保证夹持产品时的平稳，可靠，准确，机械手采用平移型夹持器，具有平移式自动对中功能，能够夹持各种尺寸的工件，且自动对中，有效提高加工精度，并且无需更换手指即可夹持各种不同零件，可适应多品种生产，柔性好；同时对两组机械手之间的差动翻转进行了设计和研究，双机械手利用翻转机构可根据生产需要实现同步翻转或差动翻转，将流水线生产与自动化技术紧密结合。这也是差动翻转机械手的一大特点。
项目简介:
目前，工业机械手广泛应用于各种制造行业中，如电器制造行业、汽车制造行业、塑料加工行业、通用机械制造行业、以及金属加工行业等都使用了工业机械手。
现在的工业机械手驱动方式大多采用电机驱动。电机驱动的工业机械手具有精度高、驱动力大、响应快等优点，同时采用电机驱动必须使用减速机构，因此采用电机驱动方式的机械手会大大高于其他方式驱动机械手的成本，因而大大的限制了电机驱动机械手的应用。随着气动技术的高速发展，又由于气压驱动具有其他驱动方式没有的一些优点，如成本低、高性价比、无污染、结构简单、抗干扰能力强等，所以我们采用气压驱动的方式设计了差动式转位机械手。
在气动技术发展初期，由于技术的不成熟，利用气压驱动的工业机械手的定位精度很低，更无法实现在任意位置的起停，只能靠气缸两个终点位置来实现机械手的定位，或者采用多位气缸，而多位气缸的定位长度也已经由气缸的行程确定，同样无法实现机械手在任意位置得起停。而采用平移型的夹紧结构，用组合气缸驱动，可实现变尺寸自动对中，从而保证在工件大小改变时，仍能有良好的对中性，并准确夹持工件。
同时同步及差动翻转机构可对工件实现不同的翻转以适应不同的生产需求，装配设备简单、成本低，符合“绿色生产”的需要，符合工业生产发展趋势。
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本项目主要对其三个关键技术进行研究：
夹紧结构设计：夹紧机构采用平移型结构，用组合气缸驱动。可实现变尺寸自动对中，从而保证在工件大小改变时，仍能有良好的对中性，并准确夹持工件。
翻转结构设计：翻转机构是运用差动机械结构（齿轮齿条机构）、止停器气动回路、升降台气动回路和旋转气缸，在机械手夹紧工件后对工件实施两种翻转动作——同步翻转及差动翻转，以适应不同的生产需要，将流水线生产与自动化技术紧密结合。这也是差动翻转机械手的一大特点。
气动驱动结构设计：根据对应的机械结构设置组合气缸驱动系统平稳运转。
立项背景:
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。各种特殊功能的气动机械手能够实现高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装，烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序都运用了气动机械手。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robotic机器人，外科手术机器人等。
而此项机械手就采用了气动技术。气压传动系统安全、可靠，可以在多种恶劣环境下工作。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。并且，我们与以往的气动机械手是不同的是对于机械手的夹紧装置，我们拟采用平移型，当工件改变时，夹紧装置可以实现尺寸的自动更改，同时保证良好的对中性，以扩大其应用场合，提高机械装置利用率，节约成本。同步及差动翻转机构可对工件实现不同的翻转以适应不同的生产需求，装配设备简单、成本低，符合“绿色生产”的需要，符合工业生产发展趋势。
通过本项目的研究，能充分调动学生学习知识和运用知识的积极性，让学生在掌握知识的基础上灵活地运用知识，提高自主创新意识，增强学习兴趣，激发学习动力，培养独立思考能力、综合能力和工程实践能力，增强团队合作精神。
研究思路:
训练目标：
通过对差动式翻转机械手的总体设计，并运用Pro/E、CAD等软件进行虚拟样机的设计，培养我们综合运用已经学习的基础知识及专业理论，设计自动化设备的能力，将理论知识加 3
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以实践并应用。
通过对机械手的设计，使我们对于机械设计、液压、气动系统运用和实施、验证等环节有较深刻的把握，综合运用所学的基础知识，进而在一定程度上提高我们的科研水平和创新能力。
通过团队工作，提高我们的团结协作、与人沟通、精诚合作等方面的能力。
前期准备：
首先在导师的指导下，深化对于机械基础结构的设计和液压气动系统的验证的科学研究方法的理解。通过团队学习和导师的指导，进一步掌握总体与系统设计的综合知识。在调研、收集资料、了解社会需求的过程中，培养组员间的沟通协作能力。
组织实施：
1.在导师的带领下，选择企业进行调查访谈，查阅收集资料，了解社会需求。
2.方案论证，初步设计，准备各类所需要的参数。
3.总体设计、虚拟样机的设计、差动翻转机械手的设计。
4.详细设计差动式翻转机械手，绘制设计图纸，总结已做的工作，争取整理、提升、发表论文。
过程管理：
1.分阶段由项目负责人和导师共同检查项目的进展。
2.定期召开总结会议，及时解决出现的问题，以保证该项目能够顺利的进行。
3.个人做好工作总结，训练结束后统一回收存档。
教师指导：
指导教师具有完善和扎实的知识储备和多年从事工业机械手的设计及研究的经验及工程实际经验，具备的理论水平和科研能力适合对本项目的全程理论实践和结题的指导；在其指导下制定研制计划，学习相关的理论和实践知识，按研制计划开展工作，设计出充分发挥自己的想象力和创造力的翻转机械手，并对我们的计划提出建议或意见。
项目结题：
做好整个项目的各个环节的设计、制造工作，写好分析报告，并对整个项目做综合评价反思，争取整理、提升、发表论文。我们坚信在老师的悉心指导与同学的通力合作下本项目可以如期结题。
特色与创新:
1、气压传动系统安全、可靠，可以在多种恶劣环境下工作。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。
2、夹持机构采用平移型，当工件改变时，夹紧装置可以实现尺寸的自动更改，同时保证良好的对中性，以扩大其应用场合，提高机械装置利用率，节约成本。
3、工作节拍加快，大大提高生产效率；
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4、同步及差动翻转机构可对工件实现不同的翻转以适应不同的生产需求，装配设备简单、成本低，符合“绿色生产”的需要，符合工业生产发展趋势。
项目基本过程
一：总体结构设计
对气动翻转机械手的抓取系统、翻转系统和连接系统进行设计，包括抓取部件、翻转部件及连接部件和气动执行部件。根据气动执行部件来驱动抓取部件中的齿条运动，带动齿轮、齿条一起运动，最终造成两个齿条的相互运动，实现外部的抓取功能。然后通过连接部件实现两根轴在同一条线上的不同方向转动，再通过翻转部件实现两个抓取物件同时翻转的功能。结构设计如图。
二：机械手夹持机构设计
如图所示，本次设计所夹取物件形状为圆柱型，即罐装瓶子之类的。原理分析如下:齿条1与夹紧臂1用螺钉连接，齿轮2与夹紧臂2也是如此；齿条1与齿条2通过齿轮连接；当推动轴由于气动装置往左推进时，这时夹紧臂1，轴带动齿条1往左动，从而带动齿轮转动，最终带动齿条2向右移动,在外部实现了夹紧被抓物件的要求。在实现翻转功能后，推动轴由于气动装置往右退回时，夹紧装置的两个叶片就会放开，从而松开被夹物件。
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图2-1 夹紧装置二维图
三：翻转系统结构设计
链轮链条气缸翻转
图2-3 翻转系统2
原理说明：通过底下气缸推动齿条1向后方向移动（这时链轮1由于齿条的运动而转动；由于夹紧装置1的转动轴与链条1的转动轴固定，所以夹紧装置也跟着转动），带动齿轮转动，再带动齿条2向下移动（与齿条1方向相反），带动链条2以与链条1相反的方向运动，最终使夹紧装置2产生与夹紧装置1相反方向的转动。这时就实现了一个运动进程实现两次抓取和不同方向的翻转。
四：气动翻转机械手的三维建模、装配思路
（一）、各部分零件设计
气动翻转机械手各部分的具体结构设计，利用Pro/Engineer软件建立三维模型，进行装配分析，进一步改进结构设计。分别对各个零件进行建模，再装配分析是否出现尺寸大小不配套还有运动机构卡死等问题，如果有的话必须调整方案或数据。最后通过改进实现最后的装配。装配完后进行投影二维图纸并标注，某些重要的零部件要进行剖视处理。最后得到较好的装配图、二维图纸和三维图纸。
（二）、气动翻转机械手的运动学仿真
通过建立的三维模型，进行运动学仿真分析，分抓取系统、气动驱动和翻转系统三个阶段进行动力学分析。运动仿真时要看能不能运动的起来，确保气动翻转机械手实现翻转和气动的功能。
本设计论文拟采用理论分析与三维建模与仿真实验的方法，在前人的基础上，通过三维 6
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Pro/E环境完成气动翻转机械手的设计仿真，并对其进行初步的运动学分析。
目前,随着计算机辅助技术的不断发展，三维造型软件功能不断完善，传统的二维设计正逐渐被三维实体设计所代替。
运用Pro/ E三维设计平台，通过对特征工具的操作,避免高级语言的复杂编程，所开发设计出来的气动翻转机械手，便于研究人员通过对界面特征工具的操作，生成气动翻转机械手实体模型，甚至输出所需要的工程图及相关分析数据。这样既可辅助研究人员完成其设计构思、减轻劳动强度、提高效率和精度、改善视觉的立体效果，并可有效地缩短研制周期，提高设计制造的成功率，也为后续的3D运动学仿真分析奠定了基础。
（三）、研究思路方案、可行性分析及预期成果
气动翻转机械手Pro/ E运动学仿真:运动仿真是机构设计的一个重要内容, 在Pro /E的Mechanism模块中,通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来,来实现机构的运动仿真。通过仿真技术可以在进行整体设计和零件设计后, 对各种零件进行装配后模拟机构的运动, 从而检查机构的运动是否达到设计的要求, 可以检查机构运动中各种运动构件之间是否发生干涉，实现机构的设计与运动轨迹校核。同时, 可直接分析各运动副与构件在某一时刻的位置、运动量以及各运动副之间的相互运动关系及关键部件的受力情况。在Pro /E环境下进行机构的运动仿真分析,不需要复杂的数学建模、也不需要复杂的计算机语言编程,而是以实体模型为基础,集设计与运动分析于一体,实现产品设计、分析的参数化和全相关,反映机构的真实运动情况。
本次设计以PTC公司的三维建模软件Pro/E及其中的运动学仿真功能建立气动翻转机械手的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立气动翻转机械手的三维CAD模型，然后完成气动翻转机械手的装配，设置机构运动的初始位置，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的气动翻转机械手的仿真模型。
可行性分析:抓取和翻转系统的结构设计和研究是机械手方面研究的基础。因此，对具有理想结构的抓取和翻转系统进行运动学和动力学、控制理论、信息集成等方面的研究是最有效也是最有意义的。因此,要进行抓取和翻转系统的结构设计研究，从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度对机械手进行研究, 使机械手能比较完美的在抓取和翻转物体。在前人研究工作基础上，本设计论文进行气动翻转机械手设计与仿真，在基本原理上是可行的。
本设计的工作主要涉及力学、机械原理和机械设计等方面的知识，以及Pro/ E设计工具，本小组成员已学习了这些相关课程，并取得了较好的成绩，掌握了本设计所需的基本知识。
指导老师在气动翻转机械手的相关研究方面具有很多成功的经验，本设计的研究方法思路经过深思熟虑，切实可行，能够确保毕业设计的顺利完成并取得预期的研究成果。
五、三维建模和运动仿真
基于以上的设计，可以在三维软件中进行建模，现在把所建的重要三维模型显示如下。气动翻转机械手的三维模型的建立是和其结构设计同时进行的，悬架的三维模型可以使设计的悬架各个部件的相互位置和装配关系更加直观，能够直接检验装配关系是否正确。 7
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完成各个部件的三维模型后，再利用结构设计的各个零件的相互关系进行整体装配。图5-1所示的是气动翻转机械手整体装配好以后的状态模型。
（一）、整体装配图
如图5-1所示，本次所设计的气动翻转机械手，是由两个夹紧装置和一个翻转系统构成。由于本此时机械手的部件设计，所以翻转系统的固定外壳以及固定标准件都没有画出。由本图可看出，本次设计的气动翻转机械手已经基本完成了一个运动进程实现夹紧装置的差动翻转的功能，符合本次设计的要求。
图5-1 整体装配
（二）夹紧系统装配图
夹紧系统的三维建模很好的实现了当初的设计目标，即以气缸为驱动力推动齿轮齿条运动，使得外部的夹紧装置相中间夹紧。当夹紧装置夹紧物件时，机械手就可以开始进行下一个动作，即翻转。
图5-2 夹取系统
（三）气缸推动和翻转系统装配图
翻转系统实现的目的就是让两边的夹紧装置以相反方向进行翻转，这里着重要提及的就是相反方向的翻转，只有建立在相反方向的基础上，这套构思和这套方案才有意义。还有，由图5-3可知，链条的链结是通过一块小铁板焊接在齿条的背部的，由于气动翻转机械手只 8
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实现来回的翻转运动，所以链条底部和齿条固定的地方也只实现来回的平移运动，它运动的距离不会使它进入链轮的旋转范围之内的。
图5-3 气缸推动和翻转
（四）气缸推动夹紧装置系统装配图
气缸推动的原理即通过气缸内的封闭性，在外界通入空气时，内外气压变得不同，从而推动气缸内的滑块运动。
图5-4 气缸推动
六：结束语
本次设计主要设计了一套气动差动式翻转机械手部件，功能为将工件移位并实现差动翻转动作。在设计方面满足了设计方案及结构设计合理，图纸满足生产要求。
该项目为气动翻转机械手。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。各种特殊功能的气动机械手能够实现高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装，烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序都运用了气动机械手。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械 9
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上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，da Vinci外科手术机器人等。
而此项机械手就采用了气动技术。气压传动系统安全、可靠，可以在多种恶劣环境下工作。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。并且，我们与以往的气动机械手是不同的是对于机械手的夹紧装置，我们拟采用平移型，当工件改变时，夹紧装置可以实现尺寸的自动更改，同时保证良好的对中性，以扩大其应用场合，提高机械装置利用率，节约成本。同步及差动翻转机构可对工件实现不同的翻转以适应不同的生产需求，装配设备简单、成本低，符合“绿色生产”的需要，符合工业生产发展趋势。
附：参考文献
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