【正文】 教學(xué)機(jī)械手說(shuō)明書結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章 緒論 提出題目的目的與意義 為了代替人類在某些苛刻的場(chǎng)合從事生產(chǎn)，或用于流水作業(yè)，以機(jī)械手往復(fù)的工作，節(jié)約人的體力。由于機(jī)械手在生活中的大量運(yùn)用，使得人類的生產(chǎn)率有了大幅的提高，同時(shí)也改善了我們的工作環(huán)境。讓人類的生活變得越來(lái)越智能化。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)械手的迅速發(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)完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(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，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)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[1]。 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀工業(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)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手是在機(jī)械化，自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動(dòng)生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來(lái)的一門新興的技術(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。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力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。機(jī)械手涉及的內(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)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國(guó)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。目前國(guó)外的發(fā)展趨勢(shì)是[2]：1 研制有更多自由度的機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。 2 研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。 3 研制維修維護(hù)方便的機(jī)械手。 4 研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的機(jī)械手。 5 研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說(shuō)話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 6 機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。 7 研制具有柔性系統(tǒng)的機(jī)械手第2章 方案的確定與比較分析本畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[7,8]：表21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表結(jié)構(gòu)形式方案特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖直角坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過(guò)程中效率較低圓柱坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過(guò)程中效率不高球坐標(biāo)型操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜續(xù)表結(jié)構(gòu)形式方案特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖關(guān)節(jié)型操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的比較與選擇 直角坐標(biāo)型機(jī)械手直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表21。其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上是很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。 圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表21.圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：1 手臂水平回轉(zhuǎn)；2 手臂伸縮；3 手臂上下；4 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；5 手爪夾緊動(dòng)作。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（φ）。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。 球坐標(biāo)型機(jī)械手球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、θ、φ三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見表21。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：1 手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；2 手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；3 手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；4 手腕上下彎曲；5 手腕左右擺動(dòng)；6 手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；7 手爪夾緊動(dòng)作；8 機(jī)械手整體移動(dòng)。球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，動(dòng)作范圍大。其缺點(diǎn)是壁障性差，有平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)成正比，控制難度大。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機(jī)械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過(guò)肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機(jī)械手工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，避障性好，能抓取靠近機(jī)座的物體，其缺點(diǎn)是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來(lái)越多[10]。本次設(shè)計(jì)的是教學(xué)用四自由度機(jī)械手，要求體積小，重量輕，靈活性強(qiáng)，對(duì)精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機(jī)械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計(jì)選擇關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較與選擇機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)可分為液壓，氣動(dòng)和電動(dòng)三種基本類型。 液體壓力驅(qū)動(dòng)液壓傳動(dòng)機(jī)械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封性要求高，不宜在高或低溫現(xiàn)場(chǎng)工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。液壓驅(qū)動(dòng)有以下特點(diǎn)：1 輸出功率很大，壓力范圍為50140N/cm2。2 控制性能較強(qiáng)，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。3 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大。4 液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過(guò)載保護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)。液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。5 適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手。 氣體壓力驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。氣壓驅(qū)動(dòng)具有以下特點(diǎn)：1 輸出功率不大，壓力范圍為4860N/cm2，最高可達(dá)100N/cm22 可控性不強(qiáng)，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題比液壓小。4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)，精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)器人，如沖壓機(jī)械手本體的氣動(dòng)平衡和及裝配機(jī)械手氣動(dòng)夾具[11]。 電力驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)是目前在機(jī)器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)（SM）驅(qū)動(dòng)，后來(lái)發(fā)展了直流伺服電動(dòng)機(jī)（DC），現(xiàn)在交流伺服電動(dòng)機(jī)（AC）驅(qū)動(dòng)也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動(dòng)單元有的直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，有的通過(guò)減速器裝置來(lái)減速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手，如AC伺服噴涂機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、弧焊機(jī)械手、裝配機(jī)械手等。電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)：1 普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機(jī)械手。2 直流伺服電動(dòng)機(jī)：直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、反向、制動(dòng)等工作狀況。直流伺服電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有多種：無(wú)槽電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)，繞組鐵芯細(xì)長(zhǎng)，故轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)，可承受頻繁的起動(dòng)、換向，切率中等。這類電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，電感小，故換向性能好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無(wú)爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過(guò)載、重載能力強(qiáng)。）之分。3 交流伺服電動(dòng)機(jī)：交流伺服電動(dòng)機(jī)幾乎具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點(diǎn)，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖信號(hào)控制的，它可將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和直線式兩種。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便、價(jià)格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無(wú)漂移、無(wú)積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡(jiǎn)單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個(gè)數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡(jiǎn)便。步進(jìn)電動(dòng)