畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一種簡(jiǎn)易搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1、蘭州工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)論文1 緒 論1.1前言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱(chēng)為機(jī)械手。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱(chēng)為工業(yè)機(jī)械手。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)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編

2、程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近

3、幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。 機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱(chēng)通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類(lèi)變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。機(jī)械手首先是

4、從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（unimaton）,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升

5、降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)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(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)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(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970

6、年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)knka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)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)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專(zhuān)院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。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

7、憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。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(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車(chē)工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)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

8、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(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中

9、，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)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%。從這里可以看出，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。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類(lèi)工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。1.3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類(lèi)、環(huán)類(lèi)）自動(dòng)線一般都采用機(jī)械手在機(jī)床

10、之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類(lèi)生產(chǎn)線很多，如沈陽(yáng)永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類(lèi)），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類(lèi)），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤(pán)類(lèi)）等。加工箱體類(lèi)零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。1.3.2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面各類(lèi)半自動(dòng)車(chē)床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開(kāi)的功能，單仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車(chē)床和座圈自動(dòng)車(chē)床機(jī)械手，大連第二車(chē)床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車(chē)床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的y38滾齒機(jī)械手，青

11、海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類(lèi)產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩?hù)安裝機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車(chē)配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽(yáng)低壓開(kāi)關(guān)廠200t環(huán)類(lèi)沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機(jī)械手等。 1.3.3 鑄、鍛

12、、焊熱處理等熱加工方面模鍛方面，國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。1.4 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動(dòng)作，并按設(shè)定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運(yùn)工件或操持工具或進(jìn)行操作的自動(dòng)化裝置。目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)和型式比較多，但是從結(jié)構(gòu)型式分析，主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。1.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 主要由手部、手腕、受臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。（1）手部 它具有人手某種單一動(dòng)作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。夾

13、持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型手指應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、v形面的和曲面的；手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。 吸附式手部有負(fù)壓吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)兩類(lèi)

14、。 對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤(pán)吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓和真空泵壓。 對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類(lèi)和帶孔的盤(pán)類(lèi)零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤(pán)吸料。電磁吸盤(pán)的吸力有直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。 用負(fù)壓磁盤(pán)和電磁吸盤(pán)吸料，其吸盤(pán)的形狀、數(shù)量、和吸附力的大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式（如澆注機(jī)械手的澆包部分）、托式（如冷擠齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部）等型式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左

15、右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿(mǎn)足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機(jī)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(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)

16、說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿(mǎn)足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)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和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。（4） 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成比較遠(yuǎn)的距離的操作時(shí)，可以在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。我國(guó)的正處于仿真階段。1.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和

17、機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.4.3 控制系統(tǒng)及其分類(lèi) 它是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機(jī)械擋塊定位）系統(tǒng)組成。在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制。1.5工業(yè)機(jī)械手的分類(lèi)工業(yè)機(jī)械手的種類(lèi)很多，關(guān)于分類(lèi)的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類(lèi)。按使用范圍可以分為：專(zhuān)用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩大類(lèi)。前者一般附屬于工作機(jī)器設(shè)備，動(dòng)作程序固定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可以獨(dú)立，亦可附屬于工作機(jī)器設(shè)備。而后者是獨(dú)

18、立工作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。在規(guī)格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。按驅(qū)動(dòng)方式可以分為：液壓傳動(dòng)機(jī)械手、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械手、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手。 1液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以由油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：抓重可以達(dá)到幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但是對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，并且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。 2氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)

19、執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)來(lái)源極其方便、氣動(dòng)動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特征，工作速度的穩(wěn)定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等）驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠、動(dòng)作頻率高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序可不變。它常被用于為工作主機(jī)的上、下料。 4電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械手 即由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換

20、機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類(lèi)機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 按控制方式可以分為：點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。前者它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)越多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前多數(shù)機(jī)械手屬于點(diǎn)位控制。后者它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但是電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。1.6工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，

21、平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)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(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)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。(4)機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境

22、建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代

23、“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)

24、數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技

25、術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.7工業(yè)機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式1 工業(yè)機(jī)械手的自由度 自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，

26、每一個(gè)構(gòu)件（即運(yùn)動(dòng)件）相對(duì)固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為自由度。每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系最多可有六個(gè)自由度即沿x、y、z三個(gè)方向獨(dú)立的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和繞x、y、z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)構(gòu)件組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)副，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)加以限制的條件即為約束條件。因?yàn)椋M成運(yùn)動(dòng)副的各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是受到約束的，不能任意運(yùn)動(dòng)，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律而運(yùn)動(dòng)。分析機(jī)械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關(guān)系，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副所組成，這些運(yùn)動(dòng)副又可以分為只有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副或有三個(gè)自由度的球面副。 所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有

27、幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作或吸盤(pán)的吸放動(dòng)作一般不記在自由度數(shù)目?jī)?nèi)。工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對(duì)象在空間的位置和方位？（即姿勢(shì)），需要有六個(gè)自由度。但實(shí)際上由于有些工件或工具具有對(duì)稱(chēng)性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機(jī)械手都具有六個(gè)自由度。工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)越多。它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣，但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手時(shí)，應(yīng)按照生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目多數(shù)為25個(gè)。2 座標(biāo)型式按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況

28、，其座標(biāo)型式可以分為下列幾種：（1）直角坐標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成，即沿直角座標(biāo)系的x軸的伸縮、沿z軸的升降、沿y軸的橫移。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱(chēng)為直角座標(biāo)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場(chǎng)合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。（2）圓柱座標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿直角座標(biāo)系的x軸的伸縮、沿z軸的升降和繞z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱(chēng)為圓柱座標(biāo)式機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相比較，占地面積小而活動(dòng)范圍小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較廣泛，但是由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿z軸方

29、向移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。（3）球座標(biāo)式：其手臂的運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿x軸的伸縮、繞y軸的俯仰和繞z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱(chēng)為）球座標(biāo)式機(jī)械手。 這種機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機(jī)械手手臂具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過(guò)手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。（4）關(guān)節(jié)式：其機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)類(lèi)似人的手臂可作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩

30、臂之間的聯(lián)動(dòng)為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱(chēng)為關(guān)節(jié)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機(jī)械手不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機(jī)械機(jī)構(gòu)比其它型式的機(jī)械手均復(fù)雜。機(jī)械手座標(biāo)型式的正確選擇，要通過(guò)座標(biāo)型式方案的比較來(lái)確定。在擬定座標(biāo)型式方案時(shí)，又須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結(jié)合各

31、種座標(biāo)型式的特點(diǎn)來(lái)分析比較，確定比較合理的座標(biāo)型。1.8工業(yè)機(jī)械手的展望 目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時(shí)間較短，人們對(duì)它有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過(guò)程，機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過(guò)程，其目前的展望為：（1）擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上應(yīng)用目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，給機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)不少困難，這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，使機(jī)械手更好地為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時(shí)，在其它行業(yè)和工業(yè)部門(mén)，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。（2）提高

32、工業(yè)機(jī)械手的工作性能機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)中。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個(gè)指標(biāo)，是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好機(jī)械手的逐個(gè)平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求價(jià)廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手上。（3）發(fā)展組合式機(jī)械手從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)?？勺兂绦虻臋C(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專(zhuān)用機(jī)械手價(jià)廉，但適用范圍又受到限制。因此，對(duì)一些特殊用途的場(chǎng)合，就需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)、專(zhuān)門(mén)加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域分門(mén)別類(lèi)的要求，可將機(jī)

33、械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以組合的型式。組合式機(jī)械手是將一些通用部件（如手臂伸縮部件、升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部件等）根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。它可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專(zhuān)用性和設(shè)計(jì)上的通用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組合專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià)，是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。（4）研制具有“視覺(jué)”和“觸覺(jué)”的所謂“智能機(jī)器人”對(duì)于需用人工進(jìn)行靈巧操作及需要進(jìn)行判斷的工作場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)械手很難替代人的勞動(dòng)。如在工作過(guò)程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機(jī)械手不能自動(dòng)分辨糾正，

34、而只能停機(jī)，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人們對(duì)機(jī)械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”等功能，使之對(duì)物體進(jìn)行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的條件，并能進(jìn)行“手眼”協(xié)調(diào)動(dòng)作。這就需要一個(gè)能處理大量信息的計(jì)算機(jī)，要求人與機(jī)器“對(duì)話(huà)”進(jìn)行信息交流。 這種帶“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”反饋的，由計(jì)算機(jī)控制的，具有人的部分“智能”的機(jī)械裝置稱(chēng)為“智能機(jī)器人”。所謂“智能”是包括：識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、分析判斷的功能。而識(shí)別功能是通過(guò)“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”和“聽(tīng)覺(jué)”等感覺(jué)“器官”認(rèn)識(shí)對(duì)象的。具有感覺(jué)功能的機(jī)器人，其工作性能是比較完善的，能準(zhǔn)確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過(guò)障礙物進(jìn)行工作

35、，自動(dòng)檢測(cè)夾緊力的大小，并且能自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于從事復(fù)雜、精密的操作，如裝配作業(yè)（國(guó)外研制的裝配機(jī)器人，能將活塞裝入間隙僅有20微米的汽缸內(nèi)），它有著一定的發(fā)展前途。 智能機(jī)器人是一種新興的技術(shù)，對(duì)它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間機(jī)構(gòu)和仿生機(jī)械學(xué)等學(xué)科。它是當(dāng)代自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人將會(huì)代替人做更多的工作。1.9本文主要研究?jī)?nèi)容本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包

36、括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。1.10本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制部分三個(gè)方面說(shuō)明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要的敘述了本文研究的內(nèi)容。2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案本課題是輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，在本章中對(duì)機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。2.1 機(jī)械手基本形式的選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (

37、 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)。圖1.1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶a上的物品搬運(yùn)到傳送帶b。圖1.1 機(jī)械手基本形式示意2.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有4個(gè)自由度既：手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降4個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由4個(gè)大部件和5個(gè)液壓缸組成：（1）手部，采用一個(gè)雙作用式液壓缸，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)

38、（3）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng)1.2m。（4）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)：(1)由于液壓傳動(dòng)是油管連接，所以借助油管的連接可以方便靈活地布置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這是比機(jī)械傳動(dòng)優(yōu)越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，以克服長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)軸效率低的缺點(diǎn)。由于液壓缸的推力很大，又加之極易布置，在挖掘機(jī)等重型工程機(jī)械上，已基本取代了老式的機(jī)械傳動(dòng)，

39、不僅操作方便，而且外形美觀大方。(2)液壓傳動(dòng)裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如，相同功率液壓馬達(dá)的體積為電動(dòng)機(jī)的12%13%。液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的重量指標(biāo)，目前是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的十分之一，液壓泵和液壓馬達(dá)可小至0.0025n/w(牛/瓦),發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)則約為0.03n/w。(3)可在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。借助閥或變量泵、變量馬達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍可達(dá)12000，并可在液壓裝置運(yùn)行的過(guò)程中進(jìn)行調(diào)速。(4)傳遞運(yùn)動(dòng)均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度較穩(wěn)定。正因?yàn)榇颂攸c(diǎn)，金屬切削機(jī)床中的磨床傳動(dòng)現(xiàn)在幾乎都采用液壓傳動(dòng)。(5)液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)借助于設(shè)置溢流閥等，同時(shí)液壓件能自行潤(rùn)滑

40、，因此使用壽命長(zhǎng)。(6)液壓傳動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時(shí)，能很容易地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控。(7)液壓元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的缺點(diǎn):(1)液壓系統(tǒng)中的漏油等因素，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和正確性，使得液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比。(2)液壓傳動(dòng)對(duì)油溫的變化比較敏感，溫度變化時(shí)，液體粘性變化，引起運(yùn)動(dòng)特性的變化，使得工作的穩(wěn)定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環(huán)境條件下工作。(3)為了減少泄漏，以及為了滿(mǎn)足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復(fù)雜。(4)

41、液壓傳動(dòng)要求有單獨(dú)的能源，不像電源那樣使用方便。(5)液壓系統(tǒng)發(fā)生故障不易檢查和排除。總之，液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是主要的，隨著設(shè)計(jì)制造和使用水平的不斷提高，有些缺點(diǎn)正在逐步加以克服。液壓傳動(dòng)有著廣泛的發(fā)展前景。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇液壓驅(qū)動(dòng)。2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表2.4.1 用途：搬運(yùn):用于車(chē)間搬運(yùn)2.4.2 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重:30kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑:1600mm5、手臂最大中心高:900mm6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程：800mm伸縮速度：83mm/s升降行程：330mm升降速度： 60mm/s回轉(zhuǎn)范圍:7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回

42、轉(zhuǎn)范圍: 2.5 本章小結(jié)本章對(duì)機(jī)械手的整體部分進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，選擇了機(jī)械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，給出了設(shè)計(jì)中機(jī)械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以次進(jìn)行。3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3

43、.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（3）平面平移型。3.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1選擇手抓的類(lèi)型及夾緊裝置本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為30kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類(lèi)。吸附式常用抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心

44、的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上,這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類(lèi)型。通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用斜楔杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開(kāi)式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手手指張開(kāi)。3.3.2 手抓的力學(xué)分析下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：斜楔杠桿 圖3.1（a）為常見(jiàn)的斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷(xiāo)軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷(xiāo)軸2向上的拉力為f，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心o點(diǎn)，兩手指1的對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為f1和

45、f2，其力的方向垂直于中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長(zhǎng)線于a及b。由=0 得 =0 得 由=0 得h f= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離（mm）. 工件被夾緊時(shí)手指的方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： （3.2）式中 安全

46、系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。 g被抓取工件所受重力（n）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa小于500050000以上計(jì)算：設(shè)a=100mm,b=50mm,;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.51.02x0.5x294n =

47、224.91n （2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： （3）取 f （4）確定液壓缸的直徑d 選取活塞桿直徑d=0.5d,選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.81mpa, 根據(jù)表4.1（jb826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：d=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:d=630.5=31.5mm，選取d=32mm3.3.4 手抓夾持范圍計(jì)算為了保證手抓張開(kāi)角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)100mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開(kāi)時(shí)，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從4090mm。3.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算機(jī)械手的

48、精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能力。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。（a） (b)圖3.2 手抓張開(kāi)示意圖圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過(guò)1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長(zhǎng),取v型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計(jì)算 當(dāng)s時(shí)帶入有：夾持誤差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.

49、5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計(jì)算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比c=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑d=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選取： 當(dāng)兩端固定時(shí)，,當(dāng)一端固定；一端自

50、由時(shí)，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式： （3.6）選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） （3.7）結(jié)論：經(jīng)過(guò)校核，彈簧適應(yīng)。 3.6 本章小結(jié)通過(guò)本章的設(shè)計(jì)計(jì)算，先對(duì)滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對(duì)滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，在滿(mǎn)足基本要求后，對(duì)手部的夾持精度進(jìn)行分析計(jì)

51、算。4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。

52、4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩m，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由

53、度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量30kg，回轉(zhuǎn)。4.3.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算（1） 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長(zhǎng)度1000mm，重量30kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算g=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。 （4.1）查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：代入： 4.3.3 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（jb826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑r=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個(gè)是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問(wèn)題后，其外徑為226mm；動(dòng)片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所