【正文】 、軌跡及參數(shù)要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取等操作的自動(dòng)機(jī)械裝置，如圖 11所示 ， 此類機(jī)械手 稱為類人機(jī)械手 。 同時(shí)期 日本 通過調(diào)研將機(jī)器人技術(shù)引入國(guó)內(nèi)，滯后的若干年，日本的機(jī)器人技術(shù)得到了快速的發(fā)展，通過機(jī)器人技術(shù)促進(jìn)日本工業(yè)的急速發(fā)展。該機(jī)械手 采用液壓傳動(dòng)為驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)能夠進(jìn)行“轉(zhuǎn)動(dòng)、升降、伸縮” 的中央立柱， 采用示教型 控制系統(tǒng)。一般用于小型貨物裝卸，由于工作范圍的擴(kuò)大，可以在特定工作環(huán)境下使用。其設(shè)計(jì)中包括一個(gè)氣動(dòng)機(jī)械手，如圖 111所示， 該 機(jī)械手主要對(duì)貨物 進(jìn)行 的翻轉(zhuǎn)和搬運(yùn) 工作 ， 通過機(jī)械手上 各 位置自由度即 手腕臂腰四 聯(lián)動(dòng) ， 模仿 關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)動(dòng)，完成 抓取 物品 、移動(dòng) 物品 、翻轉(zhuǎn) 物品 等動(dòng)作 [10， 11]。隨著中國(guó)加入WTO，中國(guó)市場(chǎng)已逐漸轉(zhuǎn)化為國(guó)際市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手生產(chǎn)企業(yè)不僅要面向國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，同時(shí)還要考慮到國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)。 氣動(dòng)技術(shù)突破原有理念，在汽車、機(jī)械、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域起到至關(guān)重要的作用 [19] ，已廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的成套設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線上。 氣動(dòng)技術(shù) 相對(duì)于液壓技術(shù) 缺點(diǎn) 如下 ： 1． 壓縮空氣 使用前 需要進(jìn)行 過濾，除去其雜質(zhì)并進(jìn)行干燥 。 其 發(fā)展趨勢(shì) 正在向微型化、 模塊化 方向發(fā)展 [21] 。 針對(duì) 數(shù)控車床 自動(dòng)裝卸機(jī)械手的研究相對(duì)較少。 4． 機(jī)械手關(guān)鍵技術(shù)的研究 機(jī)械手的基座是具有一定高度的支架，基座的設(shè)計(jì)要綜合考慮機(jī)械手與機(jī)床 的位置不發(fā)生干涉以及足夠的剛度和強(qiáng)度，保證氣缸在運(yùn)行時(shí)不發(fā)生變形。 3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由手部、腕部、手臂三個(gè)模塊組成，根據(jù)需要還可增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。被抓取物件表面形狀、抓取形式 (內(nèi)通孔或外輪廓 )、重量、 尺寸直接影響到手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通常由運(yùn)動(dòng)部件與驅(qū)動(dòng)源組合實(shí)現(xiàn)手臂運(yùn)動(dòng)，如下所示 : ?????????????????兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合兩直線運(yùn)動(dòng)的組合組合。 用途 不同 分 類 （ 1） 專用機(jī)械手 。一般按機(jī)械手控制方式不同分為簡(jiǎn)易式機(jī)械手和伺服式機(jī)械 手，一般伺服式機(jī)械手采用數(shù)控技術(shù)控制其運(yùn)動(dòng) [27] 圖 23 通用圓形機(jī)械手 驅(qū)動(dòng)方式 不同 分 類 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 13 （ 1） 液壓 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手 。維護(hù)修理簡(jiǎn)單，勞動(dòng)者不需通過高端培訓(xùn)即可熟練掌握。 其特點(diǎn)： 附屬于主機(jī) 之 上， 由工作機(jī) 械 進(jìn)行動(dòng)力 傳遞 。 但由于該方法控制簡(jiǎn)單，目前被廣泛使用于 專用 機(jī)械手 和通用機(jī)械手 中 。 （ 3） 在滿足 零件 設(shè)計(jì)要求 的基礎(chǔ)上 ， 同時(shí) 考慮到零件 制造、加工、裝配的 整體 工藝 路線 。零件壽命、重量、 研究費(fèi)、 加工費(fèi)、維修費(fèi)都會(huì)涉及總體成本 ， 材料價(jià)格 的高低 是選材 重要 的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 。 從 圖 33 中可以看出， Yc位置在機(jī)械手裝配調(diào)整后不再變動(dòng)， 通過保證起、終點(diǎn)的定位精度和位置精度，來保證定位和重復(fù)定位精度，即為靜態(tài)定位精度。 2． 定位精度 原理上 已經(jīng)得以滿足， 實(shí)際 使用過程中 ， Yf 調(diào)整應(yīng)該在 裝配初期就已完成 ，對(duì)中精度 的保證 ， 通過 調(diào)整 Yc即機(jī) 械手的 行程距離來 完成 ，調(diào)整 行程的精確是 相對(duì)困難的 ；機(jī)械手支架具有一定高度，在安裝后 需 要 重新精確調(diào)整 行程十分困難 。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 20 圖 34氣動(dòng)裝卸機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)及功能分析 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì) 理念 隨著現(xiàn)今快節(jié)奏、多樣化的新要求，傳統(tǒng)的制造方式和設(shè)計(jì)思想已 難以適應(yīng)。 1． 模塊劃分 的一般 原則 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模塊化的獨(dú)立設(shè)計(jì)，一般從以下五個(gè)方面進(jìn)行劃分 [29]： （ 1） 增多組合方案，提高適用范圍 ； （ 2） 模塊數(shù)量盡量少，減輕組裝工作量 ； （ 3） 模塊成本需要合理 ； （ 4） 充分考慮 產(chǎn)品 的精度、剛度對(duì) 模塊 的影響 ； （ 5） 各模塊自身相對(duì)獨(dú)立、完整 。將底座作為模塊化機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)，配備不同的組合模塊和控制功能，完成不同的功能要求。 機(jī)械手抓取數(shù)控車床的工件主要是以棒料為主， 例如 設(shè)計(jì)規(guī)格￠ 80 6Omm的圓柱型工件。 可以采用平面或圓弧面做為手指聯(lián)接部分表面 形狀，圖 311給出了幾種 手指連接部分表 面形狀， 剖視圖中實(shí)心小圓點(diǎn)、粗實(shí)線為 實(shí)際接觸部分。為防止鍵的軸向移動(dòng)，采用螺釘緊固，并將其突起部分焊接在主體部分 上。通過分析提出了兩種設(shè)計(jì)方案，一種是將機(jī)械手放置在 數(shù)控機(jī)床身后，通過高空懸臂進(jìn)行機(jī)械手的控制；另一種是通過大跨度門架結(jié)構(gòu)，將機(jī)械手吊于數(shù)控機(jī)床上空。 圖 41 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖 執(zhí)行元件 采用 2位 5通先導(dǎo)式雙電控電磁換向閥來控制 方向，信號(hào)為短脈沖信號(hào)。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 31 3． 按結(jié)構(gòu)形式分類 （ 1） 滑閥； （ 2） 錐閥； （ 3） 球閥； （ 4） 轉(zhuǎn)閥； （ 5） 噴嘴擋板閥； （ 6） 射流管閥。常用的流量控制閥有節(jié)流閥、調(diào)速閥和分流集流閥。溢流閥有多種用途，但其基本功能有兩種：一是保證系統(tǒng)壓力恒定，二是在系統(tǒng)中作為安全閥使用，對(duì)系統(tǒng)其過載保護(hù)作用。 氣缸耗氣量 計(jì)算 [31， 32] 耗氣量 Q 與氣缸的行程 S、直徑 D、缸動(dòng)作的時(shí)間以及換向閥 到 氣缸管道的容積有關(guān)。 6． 氣源處理 套件 [34] 氣源處理 套 采用的是多功能并且堅(jiān)固的三連件。 如圖 51 所示，若把氣缸 直接固定在門架兩端，氣缸會(huì)受到向下的重力載荷影響，導(dǎo)致氣缸整體產(chǎn)生向下的變形，使水平方向上的定位精度受到影響。 10mm 厚的鋼板 焊接于 立柱底部 ，門架立柱結(jié)構(gòu) 如圖 55， 門架立柱截面 如圖 56 所示。 下面分析其受到的三種主要載荷： 靜 負(fù)載 力 、靜轉(zhuǎn)矩 負(fù)載 和動(dòng)轉(zhuǎn)矩 負(fù)載。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 38 由公式計(jì)算后得出平均應(yīng)力為 ???? Mpa 由此可見 ? ＜＜ ??? ，所以門架的結(jié)構(gòu)是安全的。鋼板寬度與橫梁寬度相等，該結(jié)構(gòu) 使 立柱的穩(wěn)定性 大大提高 。 氣缸 固定支座 結(jié)構(gòu)的研究 氣動(dòng)機(jī)械手 橫臂進(jìn)行水平方 向運(yùn)動(dòng)，并在橫臂上需要進(jìn)行多次重復(fù)定位，通過大跨度氣缸來滿足這一要求。本機(jī)械手采用 外牙 牙徑 PTI/4 的消音器。 氣 動(dòng)元件的選擇 根據(jù)以上分析，對(duì)氣動(dòng)元件的選擇如下 : 1． 空氣壓縮機(jī) 氣壓系統(tǒng)的動(dòng)力源裝置是 空氣壓縮機(jī)。它們都是利用流體的壓力與閥內(nèi)的彈簧力相平衡的原理來工作的。按其結(jié)構(gòu)可分為座閥式換向閥（錐閥式、球閥式等）、滑閥式換向閥 和轉(zhuǎn)閥式換向閥三種。 1． 按用途分類 （ 1） 方向控制閥（如單向閥、換向閥）； （ 2） 壓力控制閥（如溢流閥、減壓閥、順序閥）； （ 3） 流量控制閥（如節(jié)流閥、調(diào)速閥）。 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 分析 機(jī)械手搬運(yùn)物料 過程中 的 運(yùn)動(dòng)軌跡 ，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 主要有轉(zhuǎn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)兩種 運(yùn)動(dòng)形式 。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 28 本章小結(jié) 本章首先 確定機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為 華中數(shù)控 CK6132 數(shù)控車床 ， 針對(duì)數(shù)控機(jī)床的自身尺寸、使用環(huán)境的要求和工件裝卸的特點(diǎn)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了設(shè)計(jì)。旋轉(zhuǎn)，如圖 313 所示。 圖 39氣爪及連接件 圖 310氣爪夾持點(diǎn) 示意圖 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 24 聯(lián)接件設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)考慮到氣爪 的 夾持點(diǎn) 。氣爪 一般 分為 2指 、 3 指 和 多 指氣爪。還有一種功能，即由一個(gè)功能的產(chǎn)生而同時(shí)出現(xiàn)的幾個(gè)功能，且這幾個(gè)功能不存在上下關(guān)系，我們稱之為并列功能。 在設(shè)計(jì)中 盡可能使機(jī)構(gòu)中 形成每個(gè)基本功能 及部件 互相獨(dú)立。 3．保證水平移動(dòng)距離水平 Zt 的技術(shù)方案 為了防止由于氣缸變形而導(dǎo)致對(duì)精度的影響，采用在機(jī)床上空設(shè)置門架的方式來固定安裝水平氣缸，保證其工作范圍?？梢酝ㄟ^氣動(dòng)技術(shù)作為控制方式，相比較伺服電機(jī)控制將有效降低成本。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 17 表 32設(shè)計(jì)參數(shù)表 設(shè)計(jì)方案 分析 根據(jù)以上要求，共設(shè)計(jì)兩種機(jī)械手安裝方案： 1． 將機(jī)械手機(jī)構(gòu)的基座安裝在數(shù)控車床身后，采用地面支撐的形式， 在 基座上安裝機(jī)械手支架，支架連接懸空機(jī)械手手臂， 如圖 32； 圖 32 方案一原理圖 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 18 方案一 通過氣動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)械手 運(yùn)動(dòng) ，機(jī)械手爪可 進(jìn)行 旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)和水平 移動(dòng) ，通過傳感器定位 ， 最大程度 保證對(duì)中精度 。這項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)生影響。 便于后期的維修更換。 控制方式 不同分類 （ 1） 點(diǎn)位控制 。 （ 3） 機(jī)械 驅(qū)動(dòng) 機(jī)械手 。其特點(diǎn)是以空氣為介質(zhì)，成本低廉、取用方便，使用安全性高，適用于易燃易爆等場(chǎng)合 。其動(dòng)作程序 在規(guī)格性能范圍內(nèi) 可 隨時(shí)調(diào)整 ， 針對(duì)不同需要 應(yīng)用于 不同場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 、控制系統(tǒng)相對(duì) 獨(dú)立 。 對(duì) 機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)位置 進(jìn)行檢測(cè)反饋 ， 將運(yùn)動(dòng)的 位置 信息 反饋 到 控制系統(tǒng)， 與控制系統(tǒng)給出的指令相對(duì)比，偏出的進(jìn)行調(diào)整，保障最終位置精度要求。 （ 3）手臂模塊 手臂模塊是用來支承手腕、手部、被抓物件。平移式手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，應(yīng)用較少。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的裝置，通常由 控制調(diào)節(jié)器、 動(dòng)力源 、 輔助裝置 等 組成。 2． 華中 CK6132 數(shù)控車床用機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 通過 數(shù)控車床 具體情況，設(shè)定模塊化 機(jī)械手的 尺寸 參數(shù) ， 根據(jù) 數(shù)控 機(jī)床 工件裝卸的 特點(diǎn)，確定 模塊化 機(jī)械手的 設(shè)計(jì) 方案，將機(jī)械手 整體分為 三個(gè)模塊即手部模塊、腕部模塊和臂部模塊，并進(jìn)行設(shè)計(jì)組裝。 出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣的一種驅(qū)動(dòng)器 是氣動(dòng)肌肉 ，具有 質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 、容控制 易 等優(yōu)點(diǎn)， 在各種機(jī)器人中應(yīng)用廣泛 。氣動(dòng)技術(shù)具有抗燃、無污染、原料易獲得等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的關(guān)注和研究 [20]，由于氣動(dòng)技術(shù)本身具備的特性 ， 特別是其優(yōu)點(diǎn)突出，使其 在各 工業(yè) 自動(dòng)化 部門 應(yīng)用日益廣泛 。能持續(xù)進(jìn)行工作，過載工作時(shí)能自動(dòng)減壓（泄氣）而停止工作，充氣加壓后可繼續(xù)工作，不會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。通過氣動(dòng)元件的不同組合，形成氣 動(dòng)控制、傳動(dòng)系統(tǒng)。 我國(guó)機(jī)械手的制造生產(chǎn)現(xiàn)階段還是以進(jìn)口組裝為主，主要是由于兩個(gè)原因：一是我國(guó)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，二是設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)能力相對(duì)落后，還沒有形成一套系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)理念。第 一套自動(dòng)化制造系統(tǒng)在 南京理工大學(xué) SMC氣動(dòng)技術(shù)中心 誕生 ，該系統(tǒng) 由多個(gè)子系統(tǒng)組成，包括 加 工、裝配等。 哈爾濱理工大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 4 圖 14 立柱 式 機(jī)器人 圖 15 門架 式 機(jī)器人 圖 16 滑塊 式 機(jī)器人 針對(duì)工作環(huán)境要求較大，工作范圍較廣的生產(chǎn)環(huán)境，德國(guó)研發(fā)的坐標(biāo)型 機(jī)器人 和 Scara 型機(jī)器人，如圖 1 18所示。 其 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 可進(jìn)行多自由度控制 ， 能夠完成轉(zhuǎn)動(dòng) 、 升降 、伸縮等 形式的運(yùn)動(dòng) ， 選用液壓裝置作為其 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 、磁鼓做為 存儲(chǔ)裝置。由于通用 程控 機(jī)械手 工作程序 能 夠 隨時(shí)改變，適應(yīng)性強(qiáng)，所以在加工品種多樣、批量中小的生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用。 工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，不僅能夠替代繁重的手工勞動(dòng)，而且綜合了人工勞動(dòng)和機(jī)器工作兩個(gè)方面的特長(zhǎng)。論文完成的研究工作主要包括機(jī)械手的組成及分 類 ； 數(shù)控車床裝夾機(jī)械手的構(gòu)型設(shè)計(jì)與分析 ； 機(jī)械手模塊化設(shè)計(jì)方案 ；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 等幾部分。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打√） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本文研究工作做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。本論文的研究成果歸哈爾濱理工大學(xué)所有，本論文的研究?jī)?nèi)容不得以其它單位的名義發(fā)表。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師 簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 作者