2011完整版機(jī)械手課程設(shè)計(jì)

1、 機(jī)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書題目 簡易型機(jī)械手的設(shè)計(jì) 年 級 Y062072 專 業(yè) 機(jī)電工程 班 級 07機(jī)電(2)班 學(xué) 號(hào) Y06207230 學(xué)生姓名 范敏杰 設(shè)計(jì)時(shí)間 2011.01.032011.01.21 指導(dǎo)教師 封士彩 蔣曉梅 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電工程系常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)成績評定課程名稱： 機(jī)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 范敏杰 班級 07機(jī)電(2)班 學(xué)號(hào)： Y06207230 答辯記錄表答辯教師答辯時(shí)間答辯情況記錄成績評定表要求評分比例%得分平時(shí)成績遵守紀(jì)律，刻苦鉆研，虛心好學(xué)20說明書質(zhì)量條理清楚，內(nèi)容全面，重點(diǎn)突出30圖紙質(zhì)量圖樣正確規(guī)范，結(jié)構(gòu)合理20答辯成績表達(dá)

2、清楚，具有設(shè)計(jì)分析能力30評語:總評成績： 指導(dǎo)教師簽名： 常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書姓名 范敏杰 班級 07機(jī)電(2) 班 學(xué)號(hào) Y06207230 設(shè)計(jì)題目 簡易型機(jī)械手的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）方案論證；在其基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，并繪制總體布局圖。（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)機(jī)械手的特點(diǎn)，選用舍黨的驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電機(jī)選型。進(jìn)行電機(jī)選型相關(guān)計(jì)算。進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件的選型和設(shè)計(jì)。繪制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布局圖。（3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：確定機(jī)械手的控制方式并進(jìn)行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。（4）傳感與測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)：進(jìn)行控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。（5

3、）機(jī)械本體設(shè)計(jì)：進(jìn)行機(jī)械本體零部件設(shè)計(jì)，繪制總體和零件圖。設(shè)計(jì)工作量:（1）設(shè)計(jì)說明書一份（2）CAD圖紙 5張（3）文檔整理排版指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)時(shí)間 2011年1月3日2011年1月 21日目 錄第1章 緒論 11.1機(jī)械手概述 11.2機(jī)械手的設(shè)計(jì)目的 31.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)內(nèi)容 41.4機(jī)械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用 51.5機(jī)械手的應(yīng)用意義 81.6機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向 9第2章 設(shè)計(jì)方案的論證102.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)102.2機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)122.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)142.4工業(yè)機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)162.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)182.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

4、212.7機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)262.8機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)33第3章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算343.1液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算343.2電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算43第4章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)474.1可編程控制器PLC 474.2 PLC的選型514.3機(jī)械手的工藝流程 534.4 機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)程序 57第5章 機(jī)械手本體設(shè)計(jì)595.1 機(jī)械手零部件設(shè)計(jì) .595.2 機(jī)械手總成和零件圖 .61致謝 62參考文獻(xiàn) 63第1章 緒論1.1機(jī)械手的概述機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié) 構(gòu)

5、形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的 升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個(gè)自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。機(jī)械手通常常機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如

6、在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的

7、一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生

8、產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。由于通用機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識(shí)內(nèi) 容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項(xiàng) 綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷地修改，品種在不斷地增

9、加，應(yīng)用領(lǐng)域 也在不斷地?cái)U(kuò)大。 早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機(jī)械手。5060年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機(jī)械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。這種機(jī)械手也稱第二代機(jī)械手。如尤尼曼特(Unimate)機(jī)械手即屬于這種類型。6070年代，又相繼把通用機(jī)械手用于汽車車身的點(diǎn)焊和沖壓生產(chǎn)自動(dòng)線上，亦即是第二代機(jī)械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機(jī)械手處于鼎盛時(shí)期，尤其是日本。90年代機(jī)械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)

10、絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機(jī)械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機(jī)械手主要是靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機(jī)械手設(shè)有電子計(jì)算機(jī)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，把接收到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能；第三代機(jī)械手能獨(dú)立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。1.2機(jī)械手的設(shè)計(jì)

11、目的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械制造、機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械電子工程等專業(yè)的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課以后的一次專業(yè)課程內(nèi)容得綜合設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)械分析與綜合能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力、機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。通過這一環(huán)節(jié)要求達(dá)到：（1）通過設(shè)計(jì)，把握有關(guān)課程（機(jī)構(gòu)分析與綜合、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、測試技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用、自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)等）中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以運(yùn)用，是這些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識(shí)和生產(chǎn)密切的結(jié)合起來。因此，工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課以后的綜合

12、性的專業(yè)課程設(shè)計(jì)。（2）工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)和機(jī)械電子工程專業(yè)的學(xué)生一次比較完整的機(jī)電一體化的整機(jī)設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)能力，樹立正確的設(shè)計(jì)思路，掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法和步驟，為自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。（3）通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊、圖冊及規(guī)范，熟悉有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和部分標(biāo)準(zhǔn)，以完成一個(gè)工業(yè)技術(shù)人員在機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。（4）由于機(jī)械手設(shè)計(jì)工作量比較大，為使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)得到完整訓(xùn)練，同學(xué)以小組為單位，分工合作共同完成此次機(jī)械手設(shè)計(jì)任務(wù)，這樣既節(jié)省了時(shí)間，有解決了量大，時(shí)間緊的矛盾，同時(shí)最大

13、限度的培養(yǎng)了學(xué)生分工協(xié)作完成大型設(shè)計(jì)的能力。1.3機(jī)械手的設(shè)計(jì)內(nèi)容1.3.1機(jī)械手的方案論證根據(jù)國內(nèi)外同類產(chǎn)品現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)課題方案。1.3.2機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)在方案論證的基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，并繪制總體布局圖。1.3.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)械手的特點(diǎn)，選用舍黨的驅(qū)動(dòng)方式，根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電機(jī)選型。進(jìn)行電機(jī)選型相關(guān)計(jì)算。進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件的選型和設(shè)計(jì)。繪制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布局圖。1.3.4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)確定機(jī)械手的控制方式并進(jìn)行控制系統(tǒng)的控制與編程。繪制控制系統(tǒng)布局圖。1.3.5傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳感與測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.3.6機(jī)械本體設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)械本體零部件設(shè)計(jì)，繪制總體和

14、零件圖。1.4機(jī)械手的分類及其在生產(chǎn)中的應(yīng)用1.4.1機(jī)械手的分類（1）油田鉆柱操作機(jī)械手本產(chǎn)品由山東科技大學(xué)研發(fā)而成，主要用于鉆井時(shí)的鉆桿、鉆鋌等的裝、卸工作。操作機(jī)械手設(shè)計(jì)有兩個(gè)，一個(gè)坐落在一層臺(tái)井口旁邊2米左右處， 簡稱為下手；一個(gè)坐落在二層臺(tái)上的中心臺(tái)上，簡稱為上手。下手的腰部回轉(zhuǎn)角度120，最大伸縮距離為5.7米，有5個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí),手部保持水平平動(dòng)。 上手的腰部回轉(zhuǎn)角度為310 ，最大伸縮距離2800mm，上手有9個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，手部保持水平平動(dòng)。 機(jī)械手采用手動(dòng)比例閥控制下的液壓控制方式。 機(jī)械手可以完成的操作對象參數(shù)為：鉆柱高30 m；鉆桿重量為：

15、40 Kg/m，總重1200 Kg；鉆鋌（七英寸直徑）重量為：180 Kg /m，總重5400 Kg。（2）硬臂式助力機(jī)械手硬臂式助力機(jī)械手與氣動(dòng)平衡吊和軟索式助力機(jī)械手一樣都具有全行程“漂浮”功能，區(qū)別是在有扭矩產(chǎn)生的情況下無法使用氣動(dòng)平衡吊或是軟索式助力機(jī)械手， 而必須選用硬臂式助力機(jī)械手。比如在工件重心遠(yuǎn)離臂懸掛點(diǎn)，或是工件需要翻轉(zhuǎn)或傾斜情況下，必須選用硬臂式助力機(jī)械手，還有在廠房高度有限情況下，可以選 用硬臂式助力機(jī)械手。 硬臂式助力機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)提升最大500Kg的工件，半徑最大可以達(dá)到3000mm，提升高度 最大2500mm。根據(jù)起吊工件重量不同，應(yīng)選擇符合最大工件重量的最小型號(hào)的

16、機(jī)器，如果我們用最大負(fù)載200Kg的機(jī)械手來搬運(yùn)30Kg的工件，那么操 作性能肯定不好，感覺很笨重。 配有儲(chǔ)氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個(gè)循環(huán)，同時(shí)會(huì)報(bào)警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動(dòng)自鎖功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運(yùn)過程中或是工件沒有被放置在安全表面時(shí)，操作者不能釋放工件。 上海永乾制造的助力機(jī)械手（含硬臂式、軟索式）還可以在用戶現(xiàn)場氣壓不足的情況下，增加增壓泵，可以使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)。 配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以是地面固定、懸掛固定或是導(dǎo)軌移動(dòng)。（3）軟索式機(jī)械手軟索式機(jī)械手的功能與氣動(dòng)平衡吊類似，具有全行程的“漂浮”

17、功能，但是提升位移比氣動(dòng)平衡吊要小，最大只有3000mm，而且最大負(fù)載只有450Kg。 配有儲(chǔ)氣罐，可在斷氣情況下繼續(xù)使用一個(gè)循環(huán)，同時(shí)會(huì)報(bào)警，提醒操作者。 配合各種非標(biāo)夾具，軟索式助力機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式可以固定地面或懸掛固定使用，不能使用導(dǎo)軌式。（4）T型助力機(jī)械手區(qū)別于硬臂式助力機(jī)械手的是T型助力機(jī)械手沒有雙關(guān)節(jié)機(jī)械臂，它的前后左右位移靠導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)。由于T型助力機(jī)械手沒有機(jī)械臂，因而它比硬臂式顯得小巧，更適合于操作空間狹小的場合。 T型助力機(jī)械手的最大負(fù)載要比硬臂式小，只有200Kg，但提升高度可以根據(jù)客戶要求設(shè)計(jì)，而且搬運(yùn)范圍要比硬臂式大的多。 配有儲(chǔ)氣罐，可在斷

18、氣情況下繼續(xù)使用一個(gè)循環(huán)，同時(shí)會(huì)報(bào)警，提醒操作者，在氣壓下降到一定程度，啟動(dòng)自鎖功能，防止工件下降。并設(shè)有安全系統(tǒng)，在搬運(yùn)過程中或是工件沒有被放置在安全表面時(shí)，操作者不能釋放工件。 配合各種非標(biāo)夾具，硬臂式助力機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)起吊各種形狀的工件。安裝形式為導(dǎo)軌移動(dòng)。1.4.2機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法，程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。據(jù)資料介

19、紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75是小批量生產(chǎn)； 金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5。從這里可看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī) 械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動(dòng)線。國內(nèi)外機(jī)械工業(yè)、鐵路部門中機(jī)搬運(yùn)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：1.熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。2.冷加工方

20、面的應(yīng)用冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng) 缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以 改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子

21、技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機(jī)械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。(3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。(4)可在危險(xiǎn)場合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5)宇宙及海洋

22、的開發(fā)。(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。1.5機(jī)械手的應(yīng)用意義在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下：1.可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度應(yīng)用機(jī)械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。2.可以改善勞動(dòng)條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作 是有危險(xiǎn)或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動(dòng)條件。在一些動(dòng)作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機(jī)械手

23、 代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3.可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進(jìn)行生產(chǎn)。1.6機(jī)械手的技術(shù)發(fā)展方向目前國內(nèi)工業(yè)機(jī)械于主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相

24、應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典 型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的 作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機(jī)械手，并考慮于計(jì)算機(jī)聯(lián)用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。在國外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料

25、，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī) 定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時(shí)，就將引起零部件甚至機(jī)械手本身的損壞。為此，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大 力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測，重點(diǎn)是研究 視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。工作時(shí)，電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后傳送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上

26、安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的裝配作業(yè)的能力將進(jìn)一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機(jī)械手裝配?，F(xiàn)今機(jī)械手的發(fā)展更主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。第2章 設(shè)計(jì)方案的論證2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相

27、應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。1.直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。2.圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，

28、如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。3. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。4. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。

29、圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式2.1.2 設(shè)計(jì)具體采用方案圖2-2具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，且長度達(dá)500MM，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要3種運(yùn)動(dòng),其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng),另一個(gè)為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖2-2所示。2.2 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，

30、就要針對機(jī)械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。2.2.1 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：1.腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。2.腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。3.機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰

31、部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。4.腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。5.腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。6.為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。2.2.2 設(shè)計(jì)具體采用方案腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢是用前

32、者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示：圖2-3 腰座結(jié)構(gòu)圖2.3 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人

33、手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)器人的控制。2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)

34、度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整

35、機(jī)構(gòu)。5.機(jī)器人的手臂相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。2.3.2 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量

36、達(dá)30KG，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛

37、度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。2.4 機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)

38、作。2.4.1 機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。2.機(jī)器人

39、腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。2.4.2設(shè)計(jì)具體采用方案 通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對

40、機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4。圖2-4手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測量用等。搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。加工用末端執(zhí)

41、行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題；1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2.機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。3.機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上

42、很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制

43、最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。2.

44、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。3.液壓驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。2.5.3 機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu)1.楔塊杠桿式手爪：利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。2.滑槽式手爪：當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪：這種手爪在活塞的推力

45、下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。4.齒輪齒條式手爪：這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。5.平行杠桿式手爪：采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖2-5所示：圖

46、2-5機(jī)械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件

47、。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題：1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。4.縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減

48、小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等措施。7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式1.齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)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(dòng)等。機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問題（1）齒輪

49、傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)

50、定性。（2）各級傳動(dòng)比的最佳分配原則。當(dāng)計(jì)算出傳動(dòng)比后，為使減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，滿足動(dòng)態(tài)性能和提高傳動(dòng)精度的要求，要對各級傳動(dòng)比進(jìn)行合理的分配，原則如下：a輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小原則 為了提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度，各級傳動(dòng)比應(yīng)按“先小后大”的原則分配，以便降低齒輪的加工誤差、安裝誤差及回轉(zhuǎn)誤差對輸出轉(zhuǎn)角精度的影響。設(shè)齒輪傳動(dòng)中各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為，則 （2-1）式中：-第個(gè)齒輪所具有的轉(zhuǎn)角誤差；-第個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)軸至n級輸出軸的傳動(dòng)比。則四級齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的各級齒輪的轉(zhuǎn)角誤差（、.、）換算到末級輸出軸上的總轉(zhuǎn)角誤差為 （2-2）由此可知總轉(zhuǎn)角誤差主要取決于最末級齒輪的轉(zhuǎn)角誤

51、差和傳動(dòng)比的大小。因此，在設(shè)計(jì)中最末兩級的傳動(dòng)比應(yīng)取大一些，并盡量提高其加工精度。b等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則 利用該原則設(shè)計(jì)的齒輪系統(tǒng)要使換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小，各級傳動(dòng)比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其結(jié)構(gòu)緊湊。 具體而言有幾點(diǎn)：（1）對要求運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，起停頻繁和動(dòng)態(tài)性能好的伺服系統(tǒng)，按最小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總轉(zhuǎn)角誤差最小的原則來處理。（2）對于變負(fù)載的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)的各級傳動(dòng)比最好采用不可約的比數(shù)，避免同期嚙合以降低噪音和振動(dòng)。（3）對于提高傳動(dòng)精度和減小回程誤差為主的傳動(dòng)齒輪系統(tǒng)，按總轉(zhuǎn)角誤差最小原則；對于增速傳動(dòng)，由于增速時(shí)容易破壞傳動(dòng)齒輪系工作的平穩(wěn)性，應(yīng)在開始幾級就增速，并且

52、要求每級增速比最好大于1:3，以有利于增加輪系的剛度，減小傳動(dòng)誤差。（4）對以比較大傳動(dòng)比傳動(dòng)的齒輪系，往往需要將定軸輪系和行星輪系結(jié)合為混合輪系。對于相當(dāng)大大傳動(dòng)比、并且要求傳動(dòng)精度與傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)以及體積小重量輕時(shí)?？蛇x用新型的諧波齒輪傳動(dòng)。2.諧波齒輪傳動(dòng)諧波齒輪傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小重量輕，傳動(dòng)比大（幾十到幾百），傳動(dòng)精度高、回程誤差小、噪音低、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力強(qiáng)、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。故在工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。諧波齒輪傳動(dòng)與少齒差行星齒輪傳動(dòng)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(cuò)齒來傳遞動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的，故諧波齒輪傳動(dòng)與一般的齒輪傳動(dòng)具有本質(zhì)上的差別

53、。3.螺旋傳動(dòng)螺旋傳動(dòng)及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。螺旋傳動(dòng)有傳遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主的，如機(jī)床工作臺(tái)的進(jìn)給絲杠。絲杠螺母傳動(dòng)分為普通絲杠（滑動(dòng)摩擦）和滾珠絲杠（滾動(dòng)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(dòng)效率低（30%40%）。后者雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，但是其最大的優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高（92%98%），其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，靈活度高。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動(dòng)剛度；進(jìn)給精度和重復(fù)定位精度高。使用壽命長；而且同步性好，使用可靠、潤滑簡單，因此滾珠絲杠在機(jī)器人中應(yīng)用很多。由于滾珠絲杠傳動(dòng)返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，須附加自鎖機(jī)構(gòu)或制動(dòng)裝置。在選用滾珠絲杠要考慮以下幾項(xiàng)指標(biāo)：（1）滾珠絲杠的精度等級；（2）滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙允許值和預(yù)加載荷的期望值；（3）載荷條件（靜、動(dòng)載荷）以及載荷允許值；（4）滾珠絲杠的工作壽命；（5）滾珠絲杠的臨界轉(zhuǎn)速；（6）滾珠絲杠的剛度； 減小滾珠絲杠空回行程的方法，多是采用雙螺母結(jié)構(gòu)，使螺母與絲杠之間有一定的預(yù)加載荷。這樣可以消除傳動(dòng)間隙，提高傳動(dòng)精度與剛度。但是預(yù)加載荷會(huì)使?jié)L珠絲杠壽命下降，所以，預(yù)加載荷不應(yīng)超過工作載荷的1/3。4.同步帶傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是綜合了普通帶傳動(dòng)和鏈輪鏈條傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的