【正文】 來(lái)完成特定的工作，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“ Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 在國(guó)外目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國(guó)外稱為機(jī)器人。 本設(shè)計(jì)所做的機(jī)械手是屬于第三類機(jī)械手。 機(jī)械手應(yīng)用概況 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題， 化工等連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化已經(jīng)基本得到解決。但在 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)械是有效地解決多品種、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)， 4 有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 機(jī)械手的發(fā)展歷史是相當(dāng)長(zhǎng)的， 19 世紀(jì) 40 年代出現(xiàn)的原子能用機(jī)械手就是其歷史的開(kāi)端。后來(lái)隨著自動(dòng)化與電子技術(shù)的發(fā)展，到目前正是工業(yè)機(jī)械人發(fā)展的全盛時(shí)期。在日本，無(wú)論是機(jī)械人的生產(chǎn)量還是使用量都是世界第一位的。據(jù)統(tǒng)計(jì)， 1984 年日本生產(chǎn)各種機(jī)器人 42021 臺(tái)，目前在各種生產(chǎn)線上使用的有 164000 臺(tái)； 我國(guó)近幾年各科研機(jī)關(guān)及高等院校也開(kāi)始了各種用途機(jī)器人的研制工作。北京工業(yè)自動(dòng)化研究所研制的液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人，浙江大學(xué)研制的 6 自由度關(guān)節(jié)式液壓伺服機(jī)械手，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的華宇 Ⅱ型弧焊機(jī)器人和東方 Ⅰ型噴漆機(jī)器人等都通過(guò)了技術(shù)鑒定。此外各有關(guān)單位已建立了機(jī)器人專門研究隊(duì)伍，正在從事各種用途機(jī)器人的研究。這說(shuō)明我國(guó)已經(jīng)揭開(kāi)了機(jī)器人研究的序幕，在“七五”計(jì)劃中，我國(guó)的機(jī)器人研制工作將有更大的發(fā)展。 國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路工 業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝像機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。 在國(guó)外機(jī)械制造也中，工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它擁有一定的傳感功能，能反 饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。 采用機(jī)械手裝配是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝相機(jī)和力的傳感器裝置及微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到裝配的目的。 在發(fā)達(dá)國(guó)家及國(guó)內(nèi)，機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域、工業(yè)部門應(yīng)用最多的當(dāng)推汽車工業(yè)和電子工業(yè)，在機(jī)械制造行業(yè)也有普遍的應(yīng)用，并逐漸向纖維加工、食品工業(yè)、家用產(chǎn)品制造業(yè)等行業(yè)發(fā)展 。 目前國(guó)外機(jī) 械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手 主要用于機(jī)床、模鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、弧焊、噴漆等作業(yè)。 國(guó)外航空航天工業(yè)中機(jī)械手應(yīng)用得也十分廣泛，如鉚接裝配作業(yè)就 大量使用了鉚接機(jī)械手，此外如電氣插頭的裝配、發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇外殼和高壓渦輪的焊接、飛機(jī)座艙蓋和風(fēng)擋鉆孔作業(yè)、飛機(jī)機(jī)身和垂直尾翼鉆孔等都采用了機(jī)械手。 現(xiàn)代世界各國(guó)的汽車工業(yè)皆已大量使用焊接機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)，焊接自動(dòng)化率高，對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量和加快生產(chǎn)進(jìn)度有極大幫助。汽車機(jī)械手已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)的重要輔助生產(chǎn)設(shè)備。 發(fā)展趨勢(shì) 5 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鍛造、熱處理等方面，無(wú)論是數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。在我國(guó)，目前主要是逐步擴(kuò)大應(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，改善工作條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的情況下研制示教式機(jī)械手，計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(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加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的工業(yè)要求選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換以對(duì)付不同的工作，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位 ，以便更好的發(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，以及觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與 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。 國(guó)外機(jī)械手發(fā)展的趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手，使它擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，并能做相應(yīng)的變更，使其更具有和人相似的一些特征。 2 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)概述 機(jī)械手設(shè)計(jì)目的及意義 機(jī)械手設(shè)計(jì)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)課程的綜合應(yīng)用，通過(guò)設(shè)計(jì)提高了我對(duì)機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，初步掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。通過(guò)設(shè)計(jì)要我達(dá)到： （ 1） 通過(guò)設(shè)計(jì)，把有關(guān)課程（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè) 計(jì)、自動(dòng)控制基礎(chǔ)、機(jī)器人工程、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工程材料等）中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以應(yīng)用，是這些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識(shí)和實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)。因此，機(jī)械手設(shè)計(jì)是有關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課后的綜合性的專業(yè)設(shè)計(jì)。 （ 2）機(jī)械手設(shè)計(jì)是我們 機(jī)械電子工程 專業(yè)學(xué)生一次比較完整的機(jī)電一體化整機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)培養(yǎng)我們獨(dú)立完成機(jī)械整機(jī)設(shè)計(jì)的能力，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，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，為機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。 本次機(jī)械手 的設(shè)計(jì) 內(nèi)容 本次設(shè)計(jì) 為 機(jī)械本體部分 設(shè)計(jì) 。在規(guī)定的學(xué) 時(shí)里要求我個(gè)人完成以下工作： （ 1）調(diào)查收集相關(guān)的資料和信息，了解工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)和發(fā)展?fàn)顩r，查找相關(guān)中外期刊 6 文獻(xiàn)，撰寫開(kāi)題報(bào)告； （ 2）擬定整體方案，主要是機(jī)械原理方面的設(shè)計(jì)方案； （ 3）根據(jù)給定的自由度數(shù)和技術(shù)參數(shù)選擇合適的機(jī)身結(jié)構(gòu)； （ 4）繪制系統(tǒng)原理圖，尋找最優(yōu)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)功能元； （ 5）各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算； （ 6）繪制工程技術(shù)圖紙，并給出相關(guān)的技術(shù)要求和注意事項(xiàng)； （ 7）編寫課題設(shè)計(jì)、計(jì)算說(shuō)明書 。 通過(guò)設(shè)計(jì)，使我盡可 能熟練地應(yīng)用本行業(yè)的有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊(cè)、和規(guī)范；熟悉有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部分標(biāo)準(zhǔn)， 以完成一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)械整體設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。 3 設(shè)計(jì)要求及方案論證 我所要進(jìn)行的是實(shí)用型多自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械手的設(shè)計(jì)，其用途是用于上料 或焊接等。 主要技術(shù)要求如下： 項(xiàng) 目 技術(shù)參數(shù) 結(jié) 構(gòu) 形 式 關(guān)節(jié)式 自 由 度 數(shù) 5 腕部最大載荷 最大工作半徑 800 手臂最大中心高 900 驅(qū) 動(dòng) 方 式 直 流伺服電動(dòng)機(jī) 定 位 精 度 177。 控 制 方 式 點(diǎn)位過(guò)程控制 基 座部分輸出轉(zhuǎn)速為 5r/min,大臂部分固定轉(zhuǎn)速為 8r/min ,大臂俯仰速度為 /4 s??? ，小臂相對(duì)大臂俯仰速度 60 /s。 分析上述所給的技術(shù)要求 ， 查閱相關(guān)的資料進(jìn)行研究綜合 ， 找到兩個(gè)比較可行的方案 ， 現(xiàn)分析如下 : 7 (1) 方案一 結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如下 ： 圖 31 直角坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) ， 又成為龍門式結(jié)構(gòu) 。 該機(jī)構(gòu)的機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ， 由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)位置控制 ， 所以可以達(dá)到比較高的精度 。 但是這種龍門式的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空 間相對(duì)機(jī)械手本身的幾何尺寸來(lái)講比較小 。 因此 ， 為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間 ， 這種龍門式的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其它類型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸大 ， 從而占地面積大 ， 工作范圍小 ， 慣性大 ， 靈活性差 。該種直角坐標(biāo)型的機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè) 。 (2) 方案二 關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如下： 圖 32 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由幾個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的 ， 關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ，相對(duì)前一種直角坐標(biāo)型機(jī)械手而言 ， 占地面積小 ， 工作范圍比較大 ， 動(dòng)作靈活 ， 啟動(dòng)迅速 。 因此 ， 這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械手廣泛用于搬運(yùn) ， 裝配 ， 噴涂 ， 焊接等 作業(yè) 。 結(jié)合所給的技術(shù)要求和上述兩種方案的綜合比較 ， 本人設(shè)計(jì)采用后一種方案 二 ， 即關(guān)節(jié)式機(jī)械手 ， 因?yàn)樗鄬?duì)與本設(shè)計(jì)的要求更具優(yōu)越性和實(shí)用性 ， 性能上也完全能達(dá)到預(yù)期的目的 。 8 本設(shè)計(jì)各臂運(yùn)動(dòng)計(jì)劃采用齒輪 傳動(dòng)。 4 總體設(shè)計(jì)及分析 系統(tǒng)原理介紹 本節(jié)主要對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)的原理作以詳細(xì)的論述，并結(jié)合圖形進(jìn)行說(shuō)明 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的傳動(dòng)原理圖如下圖所示： 12345678910111213141516171819θ1θ3θ4θ5θ21457911 圖 41 系統(tǒng)工作原理圖 9 上圖中各傳動(dòng)路線如下： 電機(jī) 1 —— → 1Z /2Z —— → 2 軸 —— → 3Z / 4Z —— → 3 軸 （關(guān)節(jié) 1） 電機(jī) 4 —— → 5Z / 6Z —— → 5 軸 —— → 7Z / 8Z —— → 8 軸 —— → 9Z / 10Z —— → 6 軸 （關(guān)節(jié) 2） 電機(jī) 5 —— → 11Z /12Z —— → 9 軸 —— → 13Z / 14Z —— → 10 軸 —— → 15Z / 16Z —— → 11 軸 （關(guān)節(jié) 3） 電機(jī) 7 —— → 23Z / 24Z —— → 15 軸 —— → 25Z / 26Z —— → 16 軸 —— → 27Z / 28Z —— → 17 軸 （關(guān)節(jié) 4） 電機(jī) 9 —— → 17Z /18Z —— → 13 軸 —— → 19Z / 20Z —— → 腕部轉(zhuǎn)動(dòng) 電機(jī) 11 —— → 21Z / 22Z —— → 19 軸 （關(guān)節(jié) 5） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)論述 本機(jī)械手的基本形式是在方位回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上 加上 雙回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)手臂組成，整個(gè)系統(tǒng)主要包括基座、立柱及其回轉(zhuǎn)裝置、大臂、小臂和手腕。下面將詳細(xì)的對(duì)其 各 個(gè)部分機(jī)械結(jié)構(gòu)作以論述。 （ 1） 基座與立柱 基座與立柱的機(jī)構(gòu)圖可參照機(jī)械手總裝配圖。 基座由灰鑄鐵鑄造加工，立柱安裝于基座上。這一部分主要包括立柱回轉(zhuǎn)（第一關(guān)節(jié)）的二級(jí)齒輪件減速傳動(dòng)，減速箱體即為基座。傳動(dòng)過(guò)程為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸上裝有電磁制動(dòng)閥，然后通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)二級(jí)齒輪系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使得裝在基座上的主軸作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。立柱是一個(gè)薄壁鋼管，主軸是 45 鋼空心軸。 （ 2） 大臂部件 大臂的結(jié)構(gòu)參照大臂裝配圖。主要有大臂結(jié)構(gòu)、大臂與小臂（第二關(guān)節(jié)與 第三關(guān)節(jié)）的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。大臂結(jié)構(gòu)由整體復(fù)合材料與金屬合金骨架與外表面復(fù)合材料 聯(lián)接而成。既作為機(jī)械手的 傳動(dòng)手臂又作為傳動(dòng)鏈的箱體。 大臂的傳動(dòng)過(guò)程為（參照前面系統(tǒng)傳動(dòng)原理）：大臂電機(jī) 4 上裝有電磁制動(dòng)閘，以及與電機(jī)軸串聯(lián)的聯(lián)軸器 3，再通過(guò)一個(gè)行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)到固定齒輪 10Z ，具體過(guò)程為：聯(lián) 10 軸器的另一端聯(lián)接錐齒輪 5Z ，與安裝在軸齒輪上的 4Z 嚙合，再帶動(dòng) 7Z ，利用 7Z 傳動(dòng) 8Z ， 8Z即為行星架，然后將運(yùn)動(dòng)傳到 10Z 上， 10Z 為一固定齒輪，該固定齒輪安裝在后殼體上，后殼體固定在立柱上，后殼體上還提供空心軸 8，大臂殼體通過(guò)兩個(gè)軸承安裝在空心軸上，空心軸固定不動(dòng)，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，末級(jí)小齒輪在固定齒輪上滾動(dòng)，整個(gè)大臂做俯仰 運(yùn)動(dòng)。 （ 3）小臂部件 小臂部件的結(jié)構(gòu)可參照小臂裝配圖。主要有小臂殼體結(jié)構(gòu)，手腕的幾個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。 小臂結(jié)構(gòu)與大臂結(jié)構(gòu)類似，由復(fù)合材料 骨架 和薄鋼板組成。結(jié)合上述原理圖，殼體上通過(guò)兩個(gè)軸承裝有主軸 11，主軸為空心的，由 45 鋼做成，主軸固定 于大臂上，殼體還固定有小臂傳動(dòng)末級(jí)大齒輪 16Z ，與大臂上輸出的小臂傳動(dòng)末級(jí)小齒輪嚙合，其中 16Z 是固定不動(dòng)的，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小齒輪在固定齒輪上滾動(dòng)，此時(shí)小臂旋轉(zhuǎn)。該部分的傳動(dòng)也是一個(gè)行星輪系，本結(jié)構(gòu)傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)緊湊，降速比大。 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn) （ 1）手臂的自重平衡措施 由于垂直多關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂關(guān)節(jié)的配置特點(diǎn)，臂部運(yùn)動(dòng)部 分的重心偏離旋轉(zhuǎn)中心時(shí)，所產(chǎn)生的偏心力矩會(huì)嚴(yán)重增加驅(qū)動(dòng)負(fù)擔(dān)，而且偏心力矩的大小隨著轉(zhuǎn)角而變化，這將影響運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位，因此在設(shè)計(jì)時(shí)特別注意了這一問(wèn)題。這里通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布局和傳動(dòng) 和傳動(dòng)鏈優(yōu)化設(shè)