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The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. In this paper I will design an industrial robot with four DOFs, which is used to carry material for a punch. First I will design the structure of the base, the big arm, the small arm and the end manipulator of the robot, then choose proper drive method and transmission method, building the mechanical structure of the robot. On this foundation, I will design the control system of the robot, including choosing DAQ card, servo control, feedback method and designing electric circuit of the terminal card and control software. Great attention will be paid on the reliability of the control software and the robot safety during running. The aims to realize finally include: servocontrol and brake of the joint, monitoring the movement of each joint in realtime, playback programming and modifying the program online, setting reference point and returning to reference point. KEY WORDS: robot, playback, servocontrol, brake 第1章 引 言 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。不論是傳統(tǒng)產業(yè)，還是新興產業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。 機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機械手的分類 機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。 1、簡史 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(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,專門生產工業(yè)機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(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。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。 第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 2、 應用簡況 現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。 有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。 機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。 國內機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。 國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數控加工系統(tǒng)。 采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。 3、 發(fā)展趨勢 目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。 視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.2 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關系如下圖： 1、執(zhí)行機構 ( 如圖1.2-1所示 ) 圖1.2-1 （1） 手部 手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有轉動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸屈手腕，開閉手指。 本課所指的機械手僅需開閉手指。 機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。 本課所做的機械手采用二指形狀。 （2） 手臂 手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分 本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂 手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。 本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉、右轉三個方向的定位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。 總括機械手的運動離不開直線移動和轉動二種，因此，它采用的執(zhí)行機構主要是直線油缸、擺動油缸、電液脈沖馬達、伺服油馬達、直流伺服馬達和步進馬達等。 軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架。 2、 驅動機構 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。 電氣驅動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。 電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。 本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉、右轉、手臂的夾緊、放松方面。 3、 控制系統(tǒng) 機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。 控制系統(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 1.3 應用機械手的意義 隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。 在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下： 一、以提高生產過程中的自動化程度 應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。 二、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。 在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產 應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。 綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。 1.4 機械手的現(xiàn)狀 到目前為止，世界各國對“機械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“機械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運或操縱工具的自動化裝置。而“機械手”一般具有固定的手部、固定的動作程序（或簡單可變程序）、一般用于固定工位的自動化裝置。因為國內外稱作“機械手”、“機械手”、“操作機”的這三種自動化和半自動化裝置，在技術上有某些相通之處，所以有時不易明確區(qū)分，就它們的技術特征來看，其大致區(qū)別如下。 “機械手”（Industrail Robot）：多數是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操縱工具的裝置（國內稱作機械手或通用機械手）。 “機械手”（Mechanical Hand）：多數是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內一般稱作機械手或專用機械手）。如自動線、自動線的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。 “操作機”（Manipulator）：一般是指由工人操縱的半自動搬運、抓取、操作裝置。如鍛造操作機或處理放射性材料、火工品的裝配等所使用的半自動化裝置。 機械手（Industral Robot ,簡稱IR）是1960年由《美國金屬市場》報首先使用的，但這個概念是由美國George·C·Pevol在1954年申請的專利“程序控制物料傳送裝置“時提出來的。在這專利中所記述的機械手，以現(xiàn)在的眼光來看，就是示教再現(xiàn)機器人。根據這一專利，Devol與美國Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用數字控制程序自動化裝置的原型機。 隨后，美國的Unimation公司和美國的機械鑄造(AMF)公司于1962年分別制造了實用的一號機，并分別取名為Unimate和Ver·satran。Unimate機器人外形類似坦克炮塔，采用極坐標結構，而Versatran機器人采用圓柱坐標結構。 上述兩種機器人成為機器人結構的主流，美國通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機器人進行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。 美國的機械手技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個階段： （1） 1963~1967年為實驗定型階段。1963~1967年，萬能自動公司制造的機械手供用戶做工藝實驗。1967年，該公司生產的機械手定型為1900臺。 （2） 1968~1970年為實驗應用階段。這一時期，機械手在美國進入應用階段。例如美國通用汽車公司1968年訂購了68臺機械手；1969年又自行研制出SAM型機械手，并用21臺組成了點焊小汽車車身的焊接自動線。 （3） 1970年至今一直出于技術發(fā)展和推廣應用階段。1970~1972年，機械手處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國機械手會議。據當時統(tǒng)計，美國已采用了大約200臺機械手，工作時間共達60萬小時以上。與此同時，出現(xiàn)了所謂高級機器人，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機械手的系統(tǒng)。 在歐洲第一臺機械手是1963年瑞典Kavieldt公司發(fā)表的第一臺操作機。 日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機器手，并從其他各國引進了用于不同生產過程的機器人，并獲得迅速，很快研制出日本國產華的機械手，技術水平很快趕上了美國并超過了其它國家，目前機械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。 我國雖然開始研制機械手僅比日本晚5~6年，但由于種種原因，機械手的技術發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關方面的極大關注。除了引進、消化、仿制外，已經具備了一定的獨立設計和研制能力。在1958年新疆維吾爾自治區(qū)成立30年大慶站展覽館展出了由新疆機械局研制的跳舞機器人《阿依古麗》。在1986年地十六屆廣交會上，成都電訊工程學院研制的第三代仿人機器人《成蓉小姐》已經用漢語或英語向來賓問好，并能簡要的介紹的展覽產品及回答簡單問話。西北電訊工程學院研制的微機控制示教再現(xiàn)式機器人《西電I號》，也于1985年9月在陜西省科技貿易大會上進行了表演。此外，清華大學自動化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學院研制的焊接機器人，均已達到了較高的水平。同時，在機器人學科中的視覺、聽覺、語音合成、觸覺、計算控制以及人工智能諸領域研究，也取得了一定的進展。 近幾年來的成就表明，我國機器人技術已經邁出了可喜的一步。相信在不久的將來，我們一定回趕上世界各國前進的步伐?！? 1.5工業(yè)機械手在生產中的應用 ? 機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。目前在我國機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生產工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業(yè)方面的應用。 1.5.1 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機械手在機床之間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環(huán)類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉位機械手。 1.5.2 在實現(xiàn)單機自動化方面 各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動化生產，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手（生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動化生產。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關廠200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400t沖床的下料機械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的120t和40t多工位沖床機械手等。 1.5.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內大批量生產的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現(xiàn)進出料自動化。上海柴油機廠、北京內燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經驗。 1.6 機械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 1.6.1 執(zhí)行機構 （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式教多，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。 （2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉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，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （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、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(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，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。 （4） 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 1.6.2 驅動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 1.6.3 控制系統(tǒng)分類 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 1.7 課題工作要求 技術要求： 結構型式： 組合式──直角坐標加旋轉; 自由度數： 4; 負載重量： 10 kg (單爪) 末端操作器： 雙手爪 工作空間： 縱向 11m; 橫向 0.6m; 升降 1m; 旋轉 180o; 運行速度： 五檔可調; 最大運行速度： 縱向 33.6 m/min; 橫向 16 m/min; 升降 8m/min; 旋轉 16 rpm; 重復定位精度： ±0.6 mm; 記憶刀位數： 不小于 170 把,可擴展; 總重量： ≯600 kg. 第2章 機械手的結構的設計 2.1手部機構 2.1.1 手部設計基本要求 （1） 應具有適當的夾緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。 （2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。 （3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 （4） 應保證手抓的夾持精度。 2.1.2 典型的手部結構 （1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。 （2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。 （3）平面平移型。 2.1.3機械手手抓的設計計算 2.1.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置 本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：手抓張合角=，夾取重量為10Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 2.1.3.2 手抓的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖為常見的滑槽杠桿式手部結構。 (a) (b) 圖滑槽杠桿式手部結構、受力分析 1——手指 2——銷軸 3——杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。 由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1） 式中 a——手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）. ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=。 2.1.3.2 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 ——安全系數，通常1.22.0； ——工作情況系數，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； ——運載時工件最大上升速度 ——系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s ——方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇。 G——被抓取工件所受重力（N）。 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5000 50000以上 計算：設a=100mm,b=50mm,<<;機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。 (1) 設 ==1.02 根據公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據驅動力公式得： =1378N （3）取 （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, 根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm 則活塞桿內徑為: D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 2.1.4機械手手抓夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為80mm180mm。 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 工件的平均半徑： 手指長,取V型夾角 偏轉角按最佳偏轉角確定： 計算 當S時帶入有： 夾持誤差滿足設計要求。 2.1.5彈簧的設計計算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。 (1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力 (2).選擇旋繞比C=8，則 (3).根據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 (5). 根據變形情況確定彈簧圈的有效圈數： 選擇標準為，彈簧的總圈數圈 (6).最后確定，，， (7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，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)象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據下列選?。? 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。結論本設計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 (8).疲勞強度和應力強度的驗算。 對于循環(huán)次數多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）。 現(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： 選取1.31.7（力學性精確能高） 結論：經過校核，彈簧適應。 2.2 系統(tǒng)組成 本基械手系統(tǒng)由機體，傳送機構，動力源和控制裝置四部分組成。其中機體由小車及本體等部分組成；傳送機構主要由伸縮臂及抓緊機構所組成；動力源由液壓驅動和機械驅動兩種形式構成控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。 2.3 總體技術方案 畢業(yè)設計的目的就是要把我們所學的比較分散的知識綜合起來，并進行靈活運用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設計是要我們將“機”、“電”、“液”三者合并起來。 “機”即是指機械，機械手的動作過程可以分五部分，即機械手的上升下降、機械手的前伸后縮、機械手的加緊放松、機械手的左轉右轉、小車的前進后退。這五部分中我們靠機械完成機械手的上升下降動作，即本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。 滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產生滾動摩擦。絲桿傳動是帶動滾珠沿螺紋軌道滾動。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或者其他直線運動副相比，有以下特點： 1） 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達85%-98%，為滑動絲杠副的3-4倍。 2） 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數接近常數，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，低速時無爬行。 3） 能源預緊 預緊后可消除間隙產生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對不大。 4） 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的4-10倍以上. 5） 定位精度和重復定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預緊進行預拉伸的補償的膨脹，因此，可以達到較高的定位精度和重復定位精度。 6） 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的運動部件?？梢缘玫捷^好的同步運動。 7） 可靠性高 潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。 8） 不自鎖 用于垂直運動，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。 9） 經濟性差，成本高 由于結構工藝復雜，故制造成本高價格往往以 mm計。 經過計算，選擇如下： 電動機型號： Y802-2 功率： 1.1W 絲杠型號： Tr40×7 工業(yè)機械手的機械機構是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手抓持工件、進行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分腰轉部分以及機座和行走機構。 2.4腕部結構的設計 2.4.1 腕部設計的基本要求 （1） 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 （2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，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 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 2.4.2 腕部的結構以及選擇 2.4.2.1典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于）。 (2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機-液結合的腕部結構。 2.4.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。 2.4.3 腕部的設計計算 2.4.3.1 腕部設計考慮的參數 夾取工件重量60Kg，回轉。 2.4.3.2 腕部的驅動力矩計算 （1） 腕部的驅動力矩需要的力矩。 （2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩。 夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60Kg，當手部回轉時，計算 力矩： （1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14 （2） 擦力矩。 （3） 啟動過程所轉過的角度=0.314rad，等速轉動角速度。 查取轉動慣量公式有： 代入： 2.4.3.3 腕部驅動力的計算 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸：根據表設缸體內空半徑R=110mm，外徑根據表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖所示。則回轉缸工作壓力，選擇8Mpa 圖4.1 腕部液壓缸剖截面結構示意 表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 液壓缸內徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 2.4.3.4 液壓缸蓋螺釘的計算 圖缸蓋螺釘間距示意 表螺釘間距t與壓力P之間的關系 工作壓力P（Mpa） 螺釘的間距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80 缸蓋螺釘的計算，如圖4.2所示，t為螺釘的間距，間距跟工作壓強有關，見表，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 計算： 液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，，所以選擇螺釘數目合適Z=8個 危險截面 所以 =11863.3+10545=19772N 螺釘材料選擇Q235，（） 螺釘的直徑 螺釘的直徑選擇d=16mm. 2.4.3.5動片和輸出軸間的連接螺釘 （1） 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結構見上圖。連接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密。 于是得 D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數，剛對銅取f=0.15 螺釘的強度條件為 或 帶入有關數據，得 螺釘材料選擇Q235，則（） 螺釘的直徑 螺釘的直徑選擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。 2.5臂部 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。機械手的臂部一般具有2~3個自由度，即伸縮、回旋、俯仰或升降；專用機械手的臂部一般具有1~2個自由度，即伸縮、回轉或直移。臂部總重量較大，受力一般較復雜，在運動時，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的靜、動載荷，尤其高速運動時， 將產生較大的慣性力（或慣性距），引起沖擊，影響定位的準確性。臂部運動部分零部件的重量直接影響著臂部結構的剛度和強度。專用機械手的臂部一般直接安裝在主機上；機械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)一起安裝在機身（即機座）上，機身可以是固定的，也可以是行走式的、即可沿地面或導軌移動。 臂部的結構形式必須根據機器人的運動形式、抓取重量、動作自由度、運動精度等因素來確定。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及倒向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素，它們分別是，剛度要大，倒向性要好，偏重力矩要小，運動要平穩(wěn)、定位精度要高。 2.5.1 臂部結構形式 機械手的臂部結構一般包括臂部伸縮、回轉、俯仰或升降等運動的結構以及與其有關的結構，如傳動機構、驅動裝置、導向定位裝置、支撐連接件和位置檢測元件等。此外還有與腕部連接的有關構件及配管、線等。下面介紹一些臂部結構。 (1) 圓柱坐標機器人的臂部結構，其臂部具有回轉、升降、伸縮自由度回轉運動通過齒條缸驅動齒輪回轉來實現(xiàn)升降與伸縮分別由升降油缸和伸縮油缸驅動。 (2) 極坐標機器人的臂部結構，臂回轉結構為齒輪齒條缸結構，臂俯仰、臂伸縮均采用直線運動油缸。 (3) 多關節(jié)型機器人的臂部結構，這種類型的機械手多用于噴漆，故也稱為噴漆機器人。其臂部有回轉、俯仰和前后移動三個運動。回轉機構為齒輪齒條缸結構，俯仰和前后運動均采用鉸鏈油缸驅動。 (4) 臂部伸縮運動結構，用鋼管做成伸縮臂，由活塞桿帶動齒輪沿固定齒條滾動而產生伸縮運動，這種結構的特點是傳動效率高，易于實現(xiàn)較大行程和速度，它的行程和速度的大小與齒輪的直徑大小有關。 (5) 臂部俯仰運動的結構，一般采用鉸接油（氣）缸來實現(xiàn)。鉸接油（氣）缸位于手臂下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳叉銷軸等方式連接。 (6) 臂部回轉及升降運動的結構，可采用齒條缸與升降缸實現(xiàn)臂回轉和升降，臂回轉還可用回轉缸與行星齒輪傳動，鏈條鏈輪傳動。 (7) 臂部復合運動機構，它是將一個驅動運動分解為1~3個運動，并能依合成運動的形式實現(xiàn)復雜運動的機構。在一些專用機械手中常采用行星齒輪機構、凸輪機構及連桿機構等來實現(xiàn)臂部的復合運動。 2.5.2 臂部運動的導向裝置 臂部的導向裝置，機械手的手臂伸縮及升降運動機構上常設置導向裝置，其目的是： （1） 防止移動部件在伸縮及升降時產生不必要的轉動，以保證手臂運動方位的準確性。 （2） 增大移動部件的剛性，減少移動部件由于自重與抓取重量所引起的變形和位移。 （3） 承受移動部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。 導向裝置一般根據臂部的安裝形式、具體的結構及抓取重量等因素來確定，就導向裝置而言，其導向精度、剛度和耐磨性對機械手的精度和其它工作性能影響很大，在設計時必須充分注意。這里僅就幾種特殊形式作一簡單介紹： 1單導向桿式 單導向桿一般配置在驅動油（氣）缸體的一側或活塞桿內。放在活塞桿內時，雖然結構緊湊，但是工藝性比較差。單導向桿導向裝置結構簡單、重量輕、摩擦力小，但是承載能力較低，剛性差，而且導向桿內走管通道少。一般用于較小型的機器人。 單導向桿一般采用實心圓桿、方桿、空心圓桿、花鍵軸等。方桿比圓桿剛性好，但加工比較困難。 2 雙導向桿式 雙到向桿一般對稱配置在驅動油（氣）缸兩側。這種形式受力情況好、剛性大，可承受重載，導向桿內部走管道多，便于油路配置。但轉動慣量增加，不利于回轉定位。雙導向桿一般采用圓桿，以便內部通走管。 3 導軌式 導軌式的形式較多，其共同特點是剛性好，工作平穩(wěn)、導向性能好，但結構比較復雜。適用于負載較重、速度較低的機器人或專用機械手。 4 滾珠花鍵式 焊接結構的軸套前端固接一個循環(huán)滾珠套，套內裝有若干鋼珠，并設有保持架。滾珠花鍵軸的圓弧性花鍵槽與其中一部分鋼珠配合，軸套的轉動通過循環(huán)滾珠套及鋼珠傳給花鍵軸，花鍵軸在隨手臂移動時便帶動鋼珠滾