【正文】 ......................................................... 36 機械手直臂部分三維出圖及主要零部件出圖 ............................................................... 37 本章小結 .................................................................................................................... 40 ...........................................................................................................錯誤 !未定義書簽。 學位論文數(shù)據(jù)集 ........................................................................................................................................43 機械設計及制造 1 1 緒論 前言和意義 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 目前，在國內很多工廠的生產線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產效率低。為了提高生產加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應現(xiàn)代自動化大生產 ,針對具體生產工藝 ,利用機器人技術，設計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。 通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的上下料機械手的設計，能夠比較好地體 現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標，能夠實現(xiàn)理論和實踐的有機結合。 工業(yè)機械手的簡史 現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于 20 世紀 50 年代初，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。 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。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為 Unimate(即萬 能自動 )。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用機械設計及制造 2 液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式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（ Unimaton） ,專門生產工業(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回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、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UnimateVicarm 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)，定位誤差可小于177。 1 毫米。 美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設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177。 毫米。 德國機器制造業(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)。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。 瑞士 RETAB 公司生產一種涂漆機械手，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。 日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，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 50多個。 1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。1979 年日本機械手的產值達 443 億日元，產量為 14535 臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222 億日元 ，是 1978 年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為 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，機械手累計產量達 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。預計到 1990 年將有 55 萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設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。目前國外已經出現(xiàn)了觸 覺和視覺機械手。 機械設計及制造 3 第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。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(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）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。 國內外研究現(xiàn)狀和趨勢 目前，在國內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．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 2．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感 器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 4．關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(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)機器人產品的標準化、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，先進的控制算法，復雜的 機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 本章小結 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計的目的，并介紹了機械手的現(xiàn)狀和發(fā)展方向。 機械設計及制造 4 2 機械手直臂部分的總體設計 執(zhí)行機構的選擇 （ 1）手部，是直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型。 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構 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正方形表面光滑、輕質的工件或物料，夾持型主要是針對圓柱形狀或者是別的一些比較復雜形狀的工件或物料。 傳力機構形式較多，常用的有：連桿杠桿式、滑槽杠桿式、斜槭杠桿式、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，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、左右擺動、上下擺動。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，靈巧但回轉角度小（一般小于 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。 驅動機構的選擇 驅動機構是工業(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 機械設計及制造 5 氣壓機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、易于保養(yǎng)、動作迅速、結構簡單成本低。但是由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差、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動執(zhí)行機構運動的機械手。其特點為：輸出力大、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏、抓取力大。但是這種機械手對密封性要求很高、不易于保養(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、油的泄漏會導致對其工作性能產生很大的影響、油液過濾要求非常嚴格，成本高。 （ 3）機械驅動機械手 它是由機械傳動機構驅動的機械手，是一種附屬于工作主機的專用機械手，動力是由工作機械提供的。其主要特點為：運動精確，動作頻率大，定位精度高。但是結構較大，保養(yǎng)需求高。 （ 4）電氣驅動機械手 它是由電機直接驅動執(zhí)行機構運動的機械手。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。但是其技術還不夠成熟、結構較復雜、成本也較高。 驅動機構是工業(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動方案及其裝置。按照各驅動特點以及機械手的工作環(huán)境經討論我們采用電 動驅動。 傳動結構的選擇 （ 1）齒輪傳動機構 在機器人中常用的齒輪傳動機構有圓柱齒輪，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構簡單、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上的差別。 （ 3）螺旋傳動 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉運動變換為直線運動或將直線運動變機械設計及制造 6 換為旋轉運動。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），前者結構簡單、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%）。后者雖然結構