【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)本科四年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)特定功能、特殊要求的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手 能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。 目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率 ,降低成本 ,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) ,適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn) ,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝 ,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 本機(jī)械手主要與數(shù)控銑床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)越多的 廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過(guò)程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。 1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為 Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回 轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。1978 年美國(guó) 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(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于177。 1 毫米。聯(lián)邦德國(guó) 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。 目前，機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力 ，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 設(shè)計(jì)原則 在設(shè)計(jì)之前，必須要有一個(gè)指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計(jì)要求為根本設(shè)計(jì)目標(biāo)，充分考慮機(jī)械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時(shí)提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟(jì)和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)也考慮本次設(shè)計(jì)是畢業(yè)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)，如機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、 液壓、氣動(dòng)、電氣傳動(dòng)及控制、傳感 器、單片機(jī)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制、機(jī)械系統(tǒng)仿真等知識(shí) 盡可能多的綜合運(yùn)用到設(shè)計(jì)中，使得經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)對(duì)大學(xué)階段的知識(shí)得到鞏固和強(qiáng)化，同時(shí)也考慮個(gè)人能力水平和時(shí)間的客觀實(shí)際，充分發(fā)揮個(gè)人能動(dòng)性，腳踏實(shí)地，實(shí)事求是的做好本次設(shè)計(jì)。 3 第 2 章 設(shè)計(jì)方案的論證 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有 直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)， SCARA 型五 種。各結(jié)構(gòu)形式 及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。 直角坐標(biāo)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，如圖 。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（ μm 級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間 運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 3. 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 4. 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖 。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工 作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 5. SCARA 型機(jī)械手 SCARA 型機(jī)械手有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其周線相互平行，可在平面內(nèi)進(jìn)行定 4 位和定向。還有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成手爪在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。如圖 所示。 圖 21（坐標(biāo)型機(jī)械手的五種形式） 設(shè)計(jì)具體采用方案 圖 22 機(jī)械手工作布局圖 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工 件的質(zhì)量達(dá) 8KG，且長(zhǎng)度達(dá) 5 95mm，同時(shí)考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以減小成本、提高可靠度。該機(jī)械手在工作中需要 3 種運(yùn)動(dòng) ,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng) ,另一個(gè)為機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ,綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為 3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度，其特點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 ,手臂運(yùn)動(dòng)范圍大 ,且有較高的定位準(zhǔn)確度。機(jī)械手工作布局圖如圖 22 所示。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 進(jìn)行了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)后，就要針對(duì)機(jī) 械手的腰部、手臂、手腕、末端執(zhí)行器等各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 工業(yè)機(jī)械手腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，球坐標(biāo)機(jī)器手及關(guān)節(jié)型機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)械手的全部重量。在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則： ，以保證機(jī)械手在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。 ，因此，機(jī)械手的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。 部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，此處選擇液壓馬達(dá)。 、調(diào)整。腰部與機(jī)器手手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。 ，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。 設(shè)計(jì)具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到 轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求比較多，而我其他兩個(gè)自由度的實(shí)現(xiàn)都是以液壓形式，便于統(tǒng)一，降低成本，機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)這里也采用液壓形式，及液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。腰座具體 6 結(jié)構(gòu)如圖 23 所示： 圖 23 腰座結(jié)構(gòu)圖 機(jī)械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng) 范圍有密切的關(guān)系。 ，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。 ，這里在機(jī)械手手臂末端加了配重鐵。 ，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 ，這對(duì)減小馬達(dá)和液壓缸負(fù)載和提高機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡 可能利用在機(jī)械手上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái) 7 減小機(jī)械手手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。 機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到搬運(yùn)工件的重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性。兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū) 動(dòng)方式，通過(guò)液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)。液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的。手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn) 動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。 設(shè)計(jì)機(jī)械手手部連接方式 通過(guò)對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的， 3 個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 24. 8 圖 24 手爪聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手末端執(zhí) 行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)械手的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。 在設(shè)計(jì)機(jī)械手末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題； 。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)械手新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域。 、被抓取物體的重量及操作力的總和 機(jī)械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 。通過(guò)合理的計(jì)算，計(jì)算出機(jī)械手所加持工件的長(zhǎng)度范圍。 。 。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)械手靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)械手末端執(zhí) 9 行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開(kāi)發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速 更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。 ，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 ，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電 液或電 氣變換環(huán)節(jié)） 。 機(jī)械手夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 此處選夾持式手爪。按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以 獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 為了保持驅(qū)動(dòng)形式的相同以及操作方便此處選液壓驅(qū)動(dòng)方式。 機(jī)械手夾持器的典型結(jié)構(gòu) 、滑槽式手爪、連桿杠桿式手爪、齒