【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 222 億日元，是 1978 年的二倍。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。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 。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。 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。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，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現(xiàn)型機械手。 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，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應 6 產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產產品。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，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、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，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率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。機械手是模仿著人手的 部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)格參量。文章主要敘述了輕型搬運機械手的設計計算過程。專用機床是大批量生產自動化的有效辦法；程控機床、數控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產自動化的重要辦法。 1 輕型搬運機械手的設計 2 摘要 在現(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。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。 首先，本文介紹機械手的作用，機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手整體座標的形式。 文章中介紹了搬運機械手的設計理論與方法。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。工業(yè)機械手也是工業(yè)機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用。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 機械手首先是從美國開始研制的。商名為 Unimate(即萬能自動 )。 1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran機械手，原意是靈活搬運。 1 毫米。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。 瑞士 RETAB 公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。據報道， 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。具有記憶功能的機械手產值約為 67 億日元，比1978 年增長 50%。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。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 7 覺機能。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。 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。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。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。 如圖 11 所示： 執(zhí) 行 機 構機器人控 制 系 統(tǒng)驅 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 動 裝 置單 關 節(jié) 伺 服 控 制 器關 節(jié) 協(xié) 調 及 其 它 信 息 交 換計 算 機 圖 11 機械手組成結構 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）。手腕有獨立的自由度。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。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)。 （ 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。 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。 (2)機械結構向 模塊化、可重構化發(fā)展。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構 :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”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線(站 )上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程 .我國的 智能機器人和特種機器人在“ 863”計劃的支持下，也取得了不少成果。在此基礎上，確定了工業(yè)機械手的基本系統(tǒng)結構，對工業(yè)機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設計工作（包括傳動部分、執(zhí)行部分、驅動部分）的設計工作。在機械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機構、驅動機構以及控制部分三個方面說明。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。由于垂直于地面的腰部旋轉軸（相當于大臂旋轉的肩部旋轉軸），帶動小臂旋轉的肘部旋轉軸及小臂前端的手腕等構成。如圖 21 所示： 機械手的主要部件及運動 在垂直多關節(jié)型機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本圖 21 機械手的原理圖 13 設計關于機械手具有 3 個自由度既：手部仰俯運動；手臂伸縮；手臂仰俯運動 3 個主要運動。采用機械驅動式機械手 ,結構簡單、動作可靠、尺寸緊湊、驅動力大，常用于固定場所等優(yōu)點。 14 第三章 機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技術公司（ 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，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。 參數化設計 相對于產品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數量的構成特征，而每一 種構成特征，都可以用有限的參數完全約束，這就是參數化的基本概念。剖 面可以參數化并被構造 Pro/ENGINEER 內的任意特征種類。 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 內的能力。覆蓋到非參數化實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 模具設計工程的信息，包括沖填器皿及型腔表面積等信息。應當考慮到在一定的吸附力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。盤類、環(huán)類零件及雜件的抓取及搬運。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。本設計機械手采用吸附式手部。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點。在要求回轉角大于 ?180 的情況下，可采用直齒輪驅動的腕部結構。 (4) 機 液結合的腕部結構。 （ 2）腕部回轉支撐處的摩擦力矩 M摩 。根據機械手的要求，設計的齒輪參數如下： (1) 傳動比為 i =:1； (2) 兩齒輪模數為 m=； (3) 壓力角為β = 20； (4) 中心距選擇α =66mm。 AA 21 選擇軸的材料，確定許用應力 [5] 易知轉軸傳遞的功率屬于中小功率，對材料無特殊要求，故選用 45 鋼并調制處理。 ，將 錯誤 !未找到引用源。 考慮到長度對整體運動的影響，在這里我們根據實際情況選取長度為 34mm 的軸。并進行的腕部回轉力矩的計算，同時也計算了回轉缸連接螺釘的直徑。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。因此，它的結構、工作范圍、靈活 性等直接影響到機械手的工作性能。 (4)注意簡化結構。在速度和回轉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，機械手臂部要盡可能的輕。 （ 4）驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。本次設計中轉軸采用軸承連接，卡簧固定。 （ 3）雙活塞桿液壓崗結構。如此反復，繪出最終的結構。 選擇軸的材料，確定許用應力 同腕部的轉軸易知，小臂部分的轉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 小臂部分步進電機的選取 [7] 步進 電機 是將電 脈沖 信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。 三維軟件繪制的步進電機如圖 311 所示 ： 30 圖 311 步進電機 外六角螺釘的三維圖如圖 312 所示 ： 圖 312 螺釘 小臂部分齒輪的 選取 本次設計機械手小臂部分采用齒輪傳動，通過大臂的步進電機驅動齒輪，傳遞給小臂上的齒輪，實現(xiàn)一定的傳動比。小臂部分通過齒輪傳動裝置，側面的四個孔為步進電機安裝位置，其臂寬根據步進電機安裝齒輪的位置確定，確保齒輪安裝在臂部的中間，以便于有足夠的強度使得整個機構能平穩(wěn)工作。 選擇軸的材料，確定許用應力 同小臂部分的轉軸易知，大臂部分的轉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。 ：表示電動機的力矩，單位為牛頓 ； 錯誤 !未找到引用源。 . 電動機參數見下表： 電動機計算參數 參數 電動機一 電動機二 轉數（ 錯誤 !未找到引用源。根據機械手的要求，設計的齒輪參數如下： (1) 傳動比為 i =:1； (2) 兩齒輪模數為 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 大臂固定部分螺釘的選?。? 螺釘材料選擇 Q235，則 ? ? ?? ?? 200MPa? （ ? ） 40 螺釘的直徑 ? ? 0 64 4 24627 200 10QFdm??? ??? ?