【正文】 占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～ 60%的速度增長。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。自 1969 年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。德國 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 。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm型工業(yè)機(jī) 械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于177。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(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962 年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。 工業(yè)機(jī)械手的簡史 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) 6 產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)產(chǎn)品。 機(jī)械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機(jī)器，它有多個自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：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、時間和位置來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條件，顯著的提高了勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)械手是模仿著人手的 部分動作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。同時，本文給出了這臺機(jī)械手的主要性能規(guī)格參量。文章主要敘述了輕型搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計計算過程。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。 1 輕型搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計 2 摘要 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。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)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。 首先，本文介紹機(jī)械手的作用，機(jī)械手的組成和分類，說明了自由度和機(jī)械手整體座標(biāo)的形式。 文章中介紹了搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計理論與方法。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。商名為 Unimate(即萬能自動 )。 1962 年美國機(jī)械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。 1 毫米。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時間），由 400小時提高到 1500 小時，精度可提高到177。 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。據(jù)報道， 1979 年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá) 50 多個。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比1978 年增長 50%。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感 7 覺機(jī)能。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)。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。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)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。如沈陽低壓開關(guān)廠 200t環(huán)類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。 如圖 11 所示： 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動 傳 動 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動 ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計 算 機(jī) 圖 11 機(jī)械手組成結(jié)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手腕有獨(dú)立的自由度。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。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)。 （ 4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動控制和連續(xù)控制兩種方式。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向 模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操 10 作性和可維修性。美國發(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。其中有 130 多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線(站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國的 智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。在此基礎(chǔ)上，確定了工業(yè)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動部分）的設(shè)計工作。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及控制部分三個方面說明。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，在本章中對機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。由于垂直于地面的腰部旋轉(zhuǎn)軸（相當(dāng)于大臂旋轉(zhuǎn)的肩部旋轉(zhuǎn)軸），帶動小臂旋轉(zhuǎn)的肘部旋轉(zhuǎn)軸及小臂前端的手腕等構(gòu)成。如圖 21 所示： 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 在垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本圖 21 機(jī)械手的原理圖 13 設(shè)計關(guān)于機(jī)械手具有 3 個自由度既：手部仰俯運(yùn)動；手臂伸縮；手臂仰俯運(yùn)動 3 個主要運(yùn)動。采用機(jī)械驅(qū)動式機(jī)械手 ,結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、尺寸緊湊、驅(qū)動力大，常用于固定場所等優(yōu)點(diǎn)。 14 第三章 機(jī)械部分零件的計算及建模 Pro/Engineer 軟件建模 [2] Pro/Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。 參數(shù)化設(shè)計 相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一 種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。剖 面可以參數(shù)化并被構(gòu)造 Pro/ENGINEER 內(nèi)的任意特征種類。 3． 任 意形狀曲面： Pro/INTERFACE 提供了通過 IGES4． 0 或 SET 將一個或更多的任意形狀曲面輸入到 Pro/ENGINEER 內(nèi)的能力。覆蓋到非參數(shù)化實(shí)體模型上的表面可以作為一個“單一特征”。 3． DXF：用于輸入和輸出那些支持 DXF 格式文件系統(tǒng)的 2D 信息。 7． IGES128：用于輸出零件幾何體 (注：除非特殊需求規(guī)定，將無效 )。 2． 對單一、多面類似或者多面不同的型腔，采用 Pro/ENGINEER 的組裝命令及花樣組來定出型腔。 16 7． 直接取得 Pertinent 模具設(shè)計工程的信息，包括沖填器皿及型腔表面積等信息。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的吸附力下，不同的傳動機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。盤類、環(huán)類零件及雜件的抓取及搬運(yùn)。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。本設(shè)計機(jī)械手采用吸附式手部。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)。在要求回轉(zhuǎn)角大于 ?180 的情況下，可采用直齒輪驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。 (4) 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 （ 2）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩 M摩 。根據(jù)機(jī)械手的要求，設(shè)計的齒輪參數(shù)如下： (1) 傳動比為 i =:1； (2) 兩齒輪模數(shù)為 m=； (3) 壓力角為β = 20； (4) 中心距選擇α =66mm。 AA 21 選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力 [5] 易知轉(zhuǎn)軸傳遞的功率屬于中小功率，對材料無特殊要求，故選用 45 鋼并調(diào)制處理。 ，將 錯誤 !未找到引用源。 考慮到長度對整體運(yùn)動的影響，在這里我們根據(jù)實(shí)際情況選取長度為 34mm 的軸。并進(jìn)行的腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算，同時也計算了回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆健? 臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活 性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 (4)注意簡化結(jié)構(gòu)。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效、最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。 （ 4）驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。本次設(shè)計中轉(zhuǎn)軸采用軸承連接，卡簧固定。 （ 3）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力 同腕部的轉(zhuǎn)軸易知，小臂部分的轉(zhuǎn)軸傳遞的功率屬于中小功率，對材料無特殊要求，故選用 45 鋼并 調(diào)制處理。 值和 錯誤 !未找到引用源。 帶入式 41 有： 26 考慮到軸承受齒輪部分的扭矩力，故將估算的直徑加大，取為 8mm。根據(jù)支板所承受的力的大小和自身重量，取 壁厚為 3mm。如圖 310 所示： 29 圖 310 軸承 小臂部分步進(jìn)電機(jī)的選取 [7] 步進(jìn) 電機(jī) 是將電 脈沖 信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。 三維軟件繪制的步進(jìn)電機(jī)如圖 311 所示 ： 30 圖 311 步進(jìn)電機(jī) 外六角螺釘?shù)娜S圖如圖 312 所示 ： 圖 312 螺釘 小臂部分齒輪的 選取 本次設(shè)計機(jī)械手小臂部分采用齒輪傳動，通過大臂的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪，傳遞給小臂上的齒輪，實(shí)現(xiàn)一定的傳動比。小臂部分通過齒輪傳動裝置，側(cè)面的四個孔為步進(jìn)電機(jī)安裝位置，其臂寬根據(jù)步進(jìn)電機(jī)安裝齒輪的位置確定，確保齒輪安裝在臂部的中間，以便于有足夠的強(qiáng)度使得整個機(jī)構(gòu)能平穩(wěn)工作。 選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力 同小臂部分的轉(zhuǎn)軸易知，大臂部分的轉(zhuǎn)軸傳遞的功率屬于中小功率，對材料無特殊要求，故選用 45 鋼并調(diào)制處理。 且 錯誤 !未找到引用源。 在齒輪傳動過程中齒輪傳動損耗系數(shù)為 錯誤 !未找到引用源。 帶入求得： 錯誤 !未找到引用源。 ：表示電動機(jī)的力矩，單位為牛頓 ； 錯誤 !未找到引用源。 . 電動機(jī)參數(shù)見下表： 電動機(jī)計算參數(shù) 參數(shù) 電動機(jī)一 電動機(jī)二 轉(zhuǎn)數(shù)（ 錯誤 !未找到引用源。根據(jù)機(jī)械手的要求，設(shè)計的齒輪參數(shù)如下： (1) 傳動比為 i =:1； (2) 兩齒輪模數(shù)為 m=； (3) 壓力角為β = 20； (4) 中心距選擇α =66mm。 三維圖如 321 所示： 39 圖 321 底座 大臂固定部分螺釘?shù)倪x?。? 螺釘材料選擇 Q235，則 ? ? ?? ?? 200MPa? （ ? ） 40 螺釘?shù)闹睆? ? ? 0 64 4 24627 200 10QFdm??? ??? ?