自動上下料機械手直臂與夾持部件的三維設(shè)計及主要零部件設(shè)計

1、自動上下料機械手直臂與夾持部件的三維設(shè)計及主要零部 件設(shè)計摘要：機械手能代替人工操作，起到減輕工人的勞動強度，節(jié)約加工時 間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的特點。在實用的基礎(chǔ)上, 對自動上下料機械手直臂與夾持部件進(jìn)行三維設(shè)計，其中分 為三個部分，手爪、手腕、直臂。設(shè)計手爪為平移型夾持式 手爪，傳動結(jié)構(gòu)為滑動絲桿。手腕為回轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)動角度為 0-180°，傳動結(jié)構(gòu)為蝸輪蝸桿。直臂傳動結(jié)構(gòu)為滾珠絲桿。整 體機械手為直角坐標(biāo)型，驅(qū)動均為電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單可靠，精 度咼。關(guān)鍵詞：機械手；直臂與夾持部件；pro/e三維設(shè)計；cad維設(shè)計中圖分類號：th24目錄摘要i目錄iii緒論11.1前言和意義

2、11.2工業(yè)機械手的簡史11.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢31. 4本章小結(jié)32機械手直臂部分的總體設(shè)計42. 1執(zhí)行機構(gòu)的選擇42.2驅(qū)動機構(gòu)的選擇42. 3傳動結(jié)構(gòu)的選擇52.4機械手的基本形式選擇62. 5機械手直臂部分的主要部件及運動72. 6機械手的技術(shù)參數(shù)82.8本章小結(jié)93機械手手爪的三維設(shè)計103. 1手部設(shè)計基本要求103.2典型的手部結(jié)構(gòu)103. 3機械手手爪的設(shè)計計算103. 3. 1選擇手爪的類型及夾緊裝置103. 3.2手爪夾持范圍計算113. 3. 3滑動絲杠設(shè)計123. 3. 4直齒輪設(shè)計143. 3.5電機選型153.4機械手手爪的三維出圖及其主要零部件出圖163.

3、5本章小結(jié)184機械手手腕部分的三維設(shè)計194. 1腕部設(shè)計的基本要求194.2腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇194. 2. 1典型的腕部結(jié)構(gòu)194. 2.2腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇204. 3腕部的設(shè)計計算204. 3.1蝸輪軸的設(shè)計計算204. 3. 2蝸輪齒輪設(shè)計224.3.3步進(jìn)電機選型234.4手腕部分出圖及主要零部件出圖4. 5本章小結(jié)305直臂部分的三維設(shè)計315. 1手臂的結(jié)構(gòu)的選擇及其驅(qū)動機構(gòu)315. 2糾絲杠設(shè)計315. 3錐齒輪設(shè)計345.4電機選型365.5機械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖375. 6本章小結(jié)406總結(jié)41液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機

4、械 手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼 公司合并成立萬能自動公司（unimaton）,專門生產(chǎn)工 業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以冋轉(zhuǎn)，臂 可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn) 型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械 手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合 研制一種unimate-vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計 算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。美國還-卜分注意提高機械于的町靠性，

5、改進(jìn)結(jié)構(gòu),降低成本。 如unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進(jìn)行各種性能的試 驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺 設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行 時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫 米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于 起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國knka公司還 生產(chǎn)種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士 retab公司生產(chǎn) 種涂漆機械手，采用示教方法編 制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。h本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969 年從美國引進(jìn)二

6、種典型機械手后，大力研究機械手的研究。 據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單 位多達(dá)50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機械手的 研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量 為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元是 1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比 1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。 截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世 界首位，約占70%,并以每年50%60%的速度增長。使用機 械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年

7、將有55萬機器人在工作。第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子 計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的 能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手 具有感覺機能。冃前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手(機械人)則能獨立地完成工作過程小的任務(wù)。 它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性 制造系統(tǒng) fms (flexible manufacturing system)和柔性制 造單元(flexible manufacturing cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應(yīng)用的擴大，國 際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流

8、 活動開展很多。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其 研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下：1. 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊屮的 伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連 桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機。2. 工控制原統(tǒng)向基于pc機的開放型空制器方向發(fā)展，便于 標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜fi見小巧，且采 用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維 修性。3. 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、 速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、 力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力

9、覺、觸 覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行決策控制；多傳感器融合配置技 術(shù)成為智能化機器人的關(guān)鍵技術(shù)。4. 關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn) 化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計；柔性仿形噴涂機器人開 發(fā)，柔性仿形復(fù)合機構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控 制系統(tǒng)開發(fā)；5. 焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標(biāo) 準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和 系統(tǒng)動態(tài)仿真。總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化， 多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機電控制系 統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務(wù)的工業(yè) 機器人，主要釆用性價比高的模塊，在滿足工作要求

10、的基礎(chǔ) 上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器， 市場化、模塊化的元件。1. 4本章小結(jié)本章介紹了機械手的基本概念，工業(yè)發(fā)展簡史，發(fā)展機械手的重 要性及設(shè)計的口的，并介紹了機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。2機械手直臂部分的總體設(shè)計2. 1執(zhí)行機構(gòu)的選擇（1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn) 型或平動型。手部是用來抓取工件的部件，根據(jù)被抓取 物件的形狀、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多種結(jié)構(gòu)形 式，如夾持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取類型是吸 附型和夾持型，吸附型主要是針對于一些止方形表面光滑、輕 質(zhì)的工件或物料，夾持型主要是針對圓柱形狀或者是別的一 些比較復(fù)雜形狀的工件或物

11、料。傳力機構(gòu)形式較多，常用的 有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜械杠桿式、絲杠螺母式、 齒輪齒條式、重力式和彈簧式。（2）腕部，即連接手部和臂部的部件，起支撐和改變手部 姿態(tài)的作用，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈 巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的口由度。有回轉(zhuǎn)運動、左右擺動、 上下擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可 滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)， 可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工 件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機 構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸它瞬構(gòu)黑奏,靈巧回瞅角度?。ǔ?小f270度），并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出 扭距。因

12、此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈 輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部，手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作 用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空 間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意 一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加 以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本 要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手 臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種 傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受 腕部、手部和工件的靜、動載荷，而口自身運動較為多，受 力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小

13、和定位精度直接影響機械手的工作性能。2. 2驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 可分為以下四類：(1) 氣壓傳動機械手氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動 的機械手。其特點為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結(jié)構(gòu) 簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定 性較養(yǎng)、沖擊力大、定位精度一般、抓取力小。(2) 液壓傳動機械手是以油液壓縮的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點 為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏、抓取力大。 但是這種機械手對密封性要求很高、不易丁保養(yǎng)與維護、受 到液體本身的屬性影響，不宜在高溫或者低溫的環(huán)境下工 作、油

14、的泄漏會導(dǎo)致對其工作性能產(chǎn)生很大的影響、油液過 濾要求非常嚴(yán)格，成本高。(3) 機械驅(qū)動機械手它是由機械傳動機構(gòu)驅(qū)動的機械手，是一種附屬于工作主機 的專用機械手，動力是市工作機械提供的。其主要特點為： 運動精確，動作頻率大，泄位精度高。但是結(jié)構(gòu)較大，保養(yǎng) 需求咼。(4) 電氣驅(qū)動機械手它是由電機直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其特點為：運動速 度快，行程長，定位精度高，易于維護、使用方便、節(jié)能環(huán)保。 但是其技術(shù)還不夠成熟、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、成本也較高。驅(qū)動機 構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分，工業(yè)機械手的性能價格比 在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。按照各驅(qū)動特點以 及機械手的工作環(huán)境經(jīng)討論我們采用電動

15、驅(qū)動。2.3傳動結(jié)構(gòu)的選擇(1) 齒輪傳動機構(gòu)在機器人屮常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒 輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。(2) 諧波齒輪傳動諧波齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動比大(幾 十到幾百)，傳動精度高、回程誤差小、噪音低、傳動平穩(wěn), 承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中 得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動與少齒差行星齒輪傳動十分 相似，它是依靠柔性齒輪產(chǎn)生的可控變形波引起齒間的相對 錯齒來傳遞動力與運動的，故諧波齒輪傳動與一般的齒輪傳 動具有本質(zhì)上的差別。(3) 螺旋傳動螺旋傳動及絲杠螺母，它丄要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線 運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動

16、。螺旋傳動有傳遞能量為主 的，如螺旋壓力機、千斤頂?shù)?；有以傳遞運動為主的，如機床 工作臺的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦） 和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制 造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩大、傳動效率低 （30%40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成木高， 但是其最大的優(yōu)點是摩擦阻力矩小、傳動效 率高（92%98%）,其場平穩(wěn)|丸子，靈活度i自通迥預(yù)緊，肖除 間隙、揭哥傳動別度;進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長； 而月.同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機器 人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于 垂直方向傳動時，須附加自鎖機

17、構(gòu)或制動裝置。（4）同步帶傳動同步帶傳動是綜合了普通帶傳動和鏈輪鏈條傳動優(yōu)點 的一種新型傳動，它在帶的工作面及帶輪外周上均制有嚙合 齒，通過帶齒與輪齒作嚙合傳動。為保證帶和帶輪作無滑動 的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材 料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。同步帶具有傳動比準(zhǔn)確、 傳動效率高（可達(dá)98%）節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不 需要潤滑；傳動平穩(wěn)，能高速傳動（可達(dá)40ni/s）、傳動比可達(dá) 10,結(jié)構(gòu)緊湊、維護方便等優(yōu)點，故在機器人屮使用很多。 其i -：要缺點是安裝精度要求高、中心距要求/'e格行0時具有 一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。（5）鋼帶傳動鋼帶傳動的特點是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、 摩擦阻力大，無滑動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運行可靠、噪聲低